【国际论文】英国布里斯托大学汤潇助理教授联合日本佐贺大学郭其新教授的研究团队：柔性衬底上铕掺杂氧化镓薄膜的异质外延生长

        由英国布里斯托大学汤潇助理教授联合日本佐贺大学郭其新教授的研究团队在学术期刊 Japanese Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Heteroepitaxial growth of Eu-doped Ga₂O₃ films on flexible substrates（柔性衬底上铕掺杂氧化镓薄膜的异质外延生长）的文章。

        稀土掺杂宽禁带氧化物在柔性显示、可穿戴光电器件领域具备重要应用价值，Eu³⁺ 离子可实现特征尖锐红光发射，是红色发光功能层的理想激活离子。β-Ga₂O₃ 具备宽带隙、良好热化学稳定性，是稀土离子掺杂发光的优良基质材料。目前 Eu 掺杂 Ga₂O₃ 发光薄膜大多制备在蓝宝石、硅等刚性衬底上，难以适配曲面、形变器件应用。聚合物柔性衬底热预算低，无法直接高温结晶氧化物薄膜；而先在刚性衬底生长再转移的工艺易引入裂纹与界面损伤，不利于大面积制备。哈氏合金金属薄带具备高热稳定性与可弯折特性，但裸带表面缺少取向结晶模板，需要多层缓冲层实现取向氧化物薄膜外延。面向柔性发光器件，兼顾结晶质量、应变可调发光以及反复弯折稳定性的 Eu 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的可控制备方案仍有待进一步探索。

        柔性发光氧化物需要兼具机械形变能力并且可以提供有序薄膜生长结晶模板的衬底。本研究利用氧等离子体辅助脉冲激光沉积技术，在 MgO(100)/非晶 Al₂O₃ 缓冲的柔性哈氏合金衬底上制备 Eu 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜。500 °C、300 W 等离子体条件下生长得到结晶度最优的薄膜，该薄膜出现 β-Ga₂O₃(400) 衍射峰，摇摆曲线半高宽为 9.3°，并且存在带旋转畴的四重面内取向。该薄膜同时表现出最强的 Eu³⁺ 红光发射，发射主要来源于 613–614 nm 处的 ⁵D₀ → ⁷F₂ 跃迁。向外弯曲条件下，特征发射光谱轮廓保持不变；标称应变约 0.42 % 时，⁵D₀ → ⁷F₂ 积分发光强度最高提升 82.3 %。201 cm⁻¹ 附近的拉曼模在曲率半径 6 mm 时红移至 196.7 cm⁻¹，释放弯曲后恢复至 200.0 cm⁻¹。经过 10³ 次弯折循环之后，积分发光强度保留初始值的 99.6 %，证明该薄膜具备应变可调发光特性与弯折循环稳定性。

        ①利用氧等离子体辅助脉冲激光沉积，在缓冲层修饰的柔性哈氏合金薄带上实现 Eu 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜异质外延。

        ②优化后的样品表现出来自 ⁵D₀ → ⁷F₂ 跃迁的强 Eu³⁺红光发射，同时具备四重面内旋转畴结构。

        ③证实向外拉伸弯折下 Eu³⁺ 发光受应变增强，发光强度最大提升 82.3 %。

        ④薄膜经过 10³ 次弯折循环后发光强度保留 99.6 %，实现兼具良好循环力学稳定性的应变可调发光。

        本研究采用氧等离子体辅助脉冲激光沉积，在 MgO(100)/非晶 Al₂O₃ 缓冲的柔性哈氏合金衬底上制备 Eu 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜。β-Ga₂O₃ 在 300 °C 开始结晶，在 500 °C、300 W 等离子体条件下生长得到有序度最高的薄膜。该薄膜具备择优 β-Ga₂O₃(100) 取向，β-Ga₂O₃(400) 摇摆曲线半高宽为 9.3°，存在带旋转畴的四重面内取向，并且在所有被测样品中拥有最强 Eu³⁺ 的 ⁵D₀→7F₂ 发射。向外弯折条件下，Eu³⁺ 发射轮廓与峰位保持不变；曲率半径为 6 mm（对应标称应变约 0.42 %）时，⁵D₀→7F₂ 积分发光强度提升 82.3 %。伴随出现的拉曼红移证实弯折诱导晶格响应，释放形变后该响应大部分恢复，但仍存在残余偏移。经过 103 次弯折循环后，积分发光强度保留初始值的 99.6 %，拉曼特征峰仍可分辨，不存在半高宽的累积展宽。因此，该哈氏合金缓冲层体系可制备择优取向 Eu 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜，实现应变可调红光发射，并且在反复弯折条件下拥有稳定的光学与晶格振动响应。