【国际论文】通过X射线激发光学发光效应证明β-Ga₂O₃纳米膜的光学各向异性和偏振效应

        由西班牙马德里康普顿斯大学的研究团队在学术期刊 Advanced Photonics Research 发布了一篇名为Proving Optical Anisotropy and Polarization Effects in β-Ga₂O₃ Nanomembranes via X-Ray Excited Optical Luminescence（通过X射线激发光学发光效应证明 β-Ga₂O₃ 纳米膜的光学各向异性和偏振效应）的文章。

        单斜 β-Ga₂O₃ 是超宽带隙半导体材料家族中的关键代表性材料。β-Ga₂O₃ 独特的原子排列结构为 Ga 离子提供了两种配位环境，导致其光学、电子和热学性质呈现显著各向异性。本研究采用同步辐射纳米探针技术，对通过机械剥离法制备的厚度为 200 nm 的定向 (100) β-Ga₂O₃ 纳米膜的各向异性光学性质进行表征。偏振分辨 X 射线激发光学发光（XEOL）测量揭示了在 3.4 eV 处存在强烈的紫外（UV）发射带，该发射带沿 c 轴方向呈现强烈的偏振性。此外，XEOL 数据还显示了蓝光（2.9 eV）和深紫外（3.8 eV）发射。值得注意的是，深紫外带在传统光致发光研究中鲜有报道，其归因于 Ga 空位的存在，这一结论得到了第一性原理计算的支持。偏振依赖的 X 射线吸收近边结构（XANES）光谱学使人们能够探测 b 和 c 晶面不同的对称性。此外，通过结合 XANES 和 XEOL，本研究探讨了 Ga 离子对发光过程的位点特异性贡献。这些发现凸显了 β-Ga₂O₃ 纳米膜作为开发极化敏感器件的 robust 材料平台的潜力。β-Ga₂O₃ 显著的各向异性导致取向依赖的光电特性，使其成为广泛先进应用的极具前景的候选材料。

        未掺杂的 β-Ga₂O₃ 纳米膜已通过机械剥离法从(100)面 Czochralski 法生长单晶中成功制备，并随后转移至硅衬底进行表征。偏振拉曼测量证实，矩形纳米膜的长边与单元胞的b轴平行，短边与 c 轴平行。这种取向在这种各向异性材料中尤为重要，因为许多物理性质表现出强烈的取向依赖性。XEOL 测量揭示了三种明显的发射成分：2.9 eV 处的蓝色带、3.4 eV 处的紫外带以及 3.8 eV 处的深紫外带。偏振分辨 XEOL 研究表明，3.4 eV 处的紫外发射沿c轴方向具有强烈的偏振性，而深紫外和蓝色发射则几乎不显示偏振依赖性。引入偏振器在 XEOL 光谱中清晰识别出深紫外带，这一特征此前鲜有报道。尽管该带的精确起源尚不明确，但第一性原理计算支持其与 V_Ga 相关的假设。在 FLY 模式下进行的 XANES 测量能够区分 β-Ga₂O₃ 中与 Ga 相关的两种不同对称性。光谱显示了两个特征峰，分别对应于四面体（Ga_I）和八面体（Ga_II）配位环境中的 Ga 原子。最后，在 PLY 模式下进行的 XANES 测量，跟踪 Ga K 边上的 XEOL 信号，提供了 Ga 原子可能对发光过程有位点特异性贡献的证据。结果表明，3.4 eV 的紫外发射与 Ga_I 位点关联更紧密，而蓝光和深紫外发射则似乎与 Ga_II 位点关联更密切。这些发现为 β-Ga₂O₃ 中的光学各向异性和极化效应提供了新见解。与特定 Ga 位点相关的极化发射的明确行为将确实扩展未来设备在探测和传感方面的能力。本文中介绍的纳米膜，其特点是具有高晶体质量和相对于晶体学轴的良好取向边缘，有助于利用 β-Ga₂O₃ 的各向异性特性开发先进的光电子器件。

图1. a) β-Ga₂O₃ 纳米材料（NMs）的制备流程示意图。b) 实验数据与模拟数据的光学对比度曲线，拟合至 NM 厚度为 204 nm。插图显示了 NM 的光学图像。c) 扫描原子力显微镜（AFM）在轻敲模式下获得的 NM 图像。d) 基于 AFM 图像获取的线性剖面图，用于估算 NM 的厚度。该结果与 (b) 中通过光学干涉法获得的值一致。

图2. a) NM 的非偏振 XEOL 光谱。XEOL 光谱分别在偏振片沿 b) c 轴方向和 c) b 轴方向平行时采集。

DOI：

doi.org/10.1002/adpr.202500043