【会员论文】桂林电子科技大学张法碧教授的研究团队：通过氧气压力调控优化 Eu-(Ga,In)₂O₃薄膜的透明性、电导率与发光性能

        由桂林电子科技大学张法碧教授的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Optimizing transparency, conductivity, and luminescence in Eu-(Ga,In)₂O₃ thin films via oxygen pressure control（ 通过氧气压力调控优化 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜的透明性、电导率与发光性能）的文章。

        本研究得到以下项目资助：广西科技计划项目（AD24010060、AA23023010）、国家自然科学基金（52262022、62205080、62174041、62361022）、广西精密导航技术与应用重点实验室（DH202202）、广西研究生教育创新计划项目（YCBZ2025153）。

        透明导电氧化物（TCOs）因兼具高光学透明性和电导率，在光电子器件中发挥着至关重要的作用，例如太阳能电池、发光二极管（LEDs）和平板显示器。在众多 TCO 材料中，镓氧化镓铟（Ga-In-O）因其优异的热稳定性、可调控的电子特性以及对离化杂质散射的抗性，而展现出极具前景的应用潜力。研究表明，将氧化铟（In₂O₃）中引入镓（Ga）形成 Ga-In-O，可在保持关键光学特性的同时改善这些性能。凭借这些优势，Ga-In-O 有望成为先进透明导电应用的有力候选材料。

        本文研究了氧分压对脉冲激光沉积（PLD）生长的 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜结构、光学及电子性质的影响。本工作的一个关键创新在于展示了通过精确控制沉积过程中的氧气压，可以同时实现透明性、电导率和光致发光性能的优化。在 10 Pa 下沉积的薄膜表现出高可见光透明度（>88%）和良好的结晶性，而在 10^-2 Pa 下沉积的薄膜则表现出来自 Eu³⁺ 的强发射（约 610–620 nm），对应 ⁵D₀→⁷F₂ 跃迁。结构分析揭示了由氧压驱动的从非晶态到晶态的相变，同时伴随载流机制从陷阱限制/渗流导电转变为能带型导电。对 10^-1 Pa 薄膜进行的温度依赖霍尔测量进一步证实了浅施主的激活，其激活能为 0.00049 eV。上述结果为稀土掺杂氧化物半导体的多功能调控提供了一种可扩展的方法，从而推动其在透明电子学、光电子器件和光子系统中的应用。

        ●  采用脉冲激光沉积（PLD）在不同氧分压下制备 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜。

        ●  氧分压可调控薄膜的结构、透明性、电导率及发光性能。

        ●  在 10 Pa 下获得高透明性；在 10^-2 Pa 下观察到 Eu³⁺ 的强红色发光。

        ●  薄膜结晶性决定了载流机制从陷阱限制导电向能带导电的转变。

        ●  从 10^-1 Pa 薄膜的温度依赖数据中提取出 0.00049 eV 的激活能。

        本研究表明，通过脉冲激光沉积（PLD）制备的 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜，其结构、光学和电子性能可通过精确调控氧分压实现可调节。随着氧分压从 10^-4 Pa 变化至 10 Pa，实现了三项关键性能指标的同步优化：在 10 Pa 下获得高光学透明性（>88%），在 10^-2 Pa 下因 Eu³⁺ 的 ⁵D₀→⁷F₂ 跃迁呈现出强烈的红色发光（约 610–620 nm），而在中间氧分压条件下则表现出增强的载流子迁移率。

图 1. 不同氧气压下沉积的 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜的 X 射线衍射（XRD）图谱。可识别出立方 In₂O₃ 的 (222)、(400)、(440) 和 (444) 衍射峰。带星号（*）的峰（约在 2θ≈41.7°）对应于 α-Al₂O₃ 衬底的 (0006) 晶面（PDF #46–1212）。

图 2. 不同氧气压下 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜的拉曼光谱。

图 3. 不同氧气压（10^-4 Pa 到 10 Pa）下 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜在 200–1000 nm 波长范围内的光学透过率光谱。插图为 (αhν)² 对光子能量的 Tauc 图。

图 4. Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜的光致发光（PL）光谱，发射波长范围 550–800 nm，其中 610–620 nm 的发射峰对应于 Eu³⁺ 的 ⁵D₀→⁷F₂ 跃迁。

图 5. (a) Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜载流子浓度与电阻率随氧气压的变化；(b) 迁移率随氧气压的变化。

图 6. 在 10^-1 Pa 氧气压下沉积的 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜的 Arrhenius 图（ln(n) 对 1/T 的关系）。

图 7. (a–c)：Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜在室温下的电阻率、载流子浓度和迁移率随氧气压的变化。(a)10^-2 pa. (b)10^-1 pa (c) 10 Pa。

图 8. 不同氧分压下沉积的 Eu-(Ga,In)₂O₃ 薄膜中电荷传输机制的示意图。(a–b) 低氧分压（10² 和 10¹ Pa）下的非晶相传输机制：(a) 由 Hosono 改编的无序原子排列示意图；(b) 能带图，显示了态密度（DOS）、深能级、局域态、浅施主以及渗流势垒，突出表现了符合非晶氧化物半导体（AOS）特征的陷阱限制与渗流传导机制。(c–d) 高氧分压（10 Pa）下的晶相传输机制：(c) 示意图展示了周期性晶格中 Ga-3d、In-3d、Eu-4f 与 O-2p 轨道之间的相互作用；(d) 对应的能带图，说明了能带式传导，其中 Eu²⁺ 浅施主态与费米能级附近的陷阱态共同促进扩展态传导。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.183122