【国内论文】华东师范大学---掺杂锌对多晶 β-Ga₂O₃ 光学特性的影响

        近期，由华东师范大学的研究团队在学术期刊 Inorganics 发布了一篇名为 Effects of Zn Doping on Optical Properties of Polycrystalline β-Ga₂O₃（掺杂锌对多晶 β-Ga₂O₃ 光学特性的影响）的文章。

        该项研究得到重庆市自然科学基金（CSTB2022NSCQMSX0589和CSTB2022NSCQ-MSX1474）、国家自然科学基金（61574058 和 61674058）以及华东师范大学多功能创新平台（006）的资助。

        随着半导体技术的不断进步，传统半导体由于带隙窄、击穿电压低，在高频、高功率应用方面面临局限。因此，氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和氧化镓（Ga₂O₃）等宽禁带材料受到关注。其中，单斜晶系的 β-Ga₂O₃（带隙约 4.9 eV）具有高击穿场强、在可见光和近紫外区域良好的透明度以及出色的化学稳定性，使其成为高功率电子器件、气体传感器、日盲光电探测器、肖特基二极管和透明电极等应用的有前景的候选材料。掺杂是优化 Ga₂O₃ 性能的关键策略。虽然已成功实现 n 型掺杂（例如用 Sn 或 Si），但 p 型掺杂仍具挑战性，因为诸如镓空位（V_Ga）和镓氧空位对（V_Ga-V_O）之类的本征缺陷会引入深能级受主。然而，理论上预测 Zn 掺杂会在 Ga₂O₃ 中诱导出 p 型行为。尽管对单晶和薄膜 Ga₂O₃ 的研究已有很多，但对多晶 Ga₂O₃ 的研究却很有限，尽管它具有成本低和易于制备等优点。该研究探讨了锌掺杂对多晶 β-Ga₂O₃ 光学性能的影响，重点关注其对晶体结构、声子振动、带隙以及光致发光（PL）行为的作用。

        在这项研究中，通过固相烧结制备了掺锌的 Ga₂O₃ 多晶样品，并研究了锌掺杂对 Ga₂O₃ 光学性能的影响。研究发现，引入的锌离子破坏了 Ga-O 键并形成了 ZnGa，改变了 Ga-O 振动模式，导致相关拉曼模式发生蓝移。从近红外到可见光范围是掺 Zn Ga₂O₃ 的透明区域。随着 Zn 掺杂量的增加，基本光学带隙减小，这主要是由于 O 2p 和 Zn 3d 轨道的 p-d 轨道杂化导致价带最大值上移以及带重整化效应引起的带尾。施主能级（V_O）上的电子与受主能级（V_Ga 或 V_O-V_Ga）上的空穴复合产生了蓝绿色发光。Zn 掺杂增加了氧空位（V_O）的浓度，从而显著增强了掺 Zn Ga₂O₃ 的蓝绿色发光。此外，Zn 掺杂还导致 Ga₂O₃ 的红色发光明显减少，这可能是由于 Zn 掺杂抑制了在高温制备过程中从空气中掺入氮所致。

        （1）样品制备

        通过固相反应合成了多晶 Zn 掺杂的 β-Ga₂O₃（Ga_2−XZn_XO₃，x = 0、0.05、0.07、0.1）。将 ZnO 和 Ga₂O₃ 粉末球磨 8 小时，压制成粒，然后在空气中于 1050°C 下煅烧 10 小时。然后将这些粉末重新研磨，再次压制成型，并在 1500°C 下烧结 6 小时。

        （2）表征方法

        X 射线衍射（XRD）：相鉴定和晶格参数分析。

        扫描电子显微镜（SEM）：表面形貌和晶粒尺寸分析。

        拉曼光谱：声子振动模式分析。

        椭圆偏振光谱法（SE）：光学带隙和折射率测定。

        光致发光（PL）光谱学：在 325 nm 激光激发下的发射特性。

        · 首次对多晶 β-Ga₂O₃ 中的锌掺杂进行了系统研究，填补了薄膜材料与块状材料研究之间的空白。

        · 拉曼光谱中锌诱导的蓝移现象得以揭示，表明存在镓氧键的扭曲。

        · 实验表明，锌诱导的带隙变窄归因于 p-d 轨道杂化和能带重整化。

        ·  已证实 Zn 掺杂是一种策略，可增强蓝绿光致发光，同时抑制红光发射，对光电子应用有益。

图 1. 不同掺杂浓度的 Zn 掺杂 Ga₂O₃ 的 XRD 图样（Ga_2−XZn_XO₃，x = 0、0.05、0.07 和 0.1），（b）. 不同掺杂浓度的 Zn 掺杂 Ga₂O₃（Ga_2−XZn_XO₃，x = 0、0.05、0.07 和 0.1）的部分放大 XRD 图样。

图 2. 不同掺杂浓度（Ga_2−XZn_XO₃，x = 0、0.05、0.07 和 0.1）的 Zn 掺杂 Ga₂O₃ 的扫描电镜图像。

DOI：

doi.org/10.3390/inorganics13040099