掺镁氧化铋薄膜的全面表征：光学性质与结构性能的相关性研究

《Optical Materials》：Comprehensive Characterization of Magnesium-Doped Bismuth Oxide Thin Films: Optical and Structure-Property Correlations

　　

瓦埃尔·M·穆罕默德|阿米拉·本·古伊德尔·特拉贝尔西|法特玛·H·阿尔卡拉萨|穆罕默德·S·I·库比西|易卜拉欣·M·沙拉夫|阿卜杜拉齐兹·M·阿博拉亚

埃及米尼亚大学理学院物理系，邮政信箱61519，米尼亚

1. 摘要

本研究探讨了镁（Mg）掺杂对Bi_2-xMg_xO_{3薄膜的结构、光学和介电性能的影响，其中Mg的比例各不相同。X射线衍射分析显示，随着Mg比例的变化，晶粒尺寸从78.7纳米非单调地减小到12纳米（Mg比例为0和0.1时）。光学表征表明，掺杂后薄膜的光学响应发生了显著变化。直接光带隙从3.5电子伏特（x=0）降低到最低的2.95电子伏特（x=0.025），随后略微增加到3.08电子伏特（x=0.1）。Urbach能量（表示结构无序程度）也从0.79电子伏特（x=0）降低到0.55电子伏特（x=0.025），然后在x=0.025时增加到0.62电子伏特，这表明在该浓度下材料具有最佳的结构有序性。Wemple-DiDomenico模型证实了Mg掺杂成功改变了Bi2O3薄膜的电子结构。这种改变使得介电性能得到提升，表现为介电常数（ε1）和介电损耗（ε2）的增加，以及损耗正切（Tan δ）的减小。这些改进且可调的特性表明了这些薄膜在光电和光子器件应用中的潜力。}

引言

研究半导体材料（尤其是薄膜形式）的结构、光学和介电性能具有特别重要的意义，因为它们在现代电子和光电器件中有着广泛的应用。氧化铋（Bi₂O₃）由于其优异的性能而备受关注，这些性能包括较大的光带隙、高的折射率、显著的介电常数和出色的光电导性。正因为如此，Bi₂O₃薄膜成为各种光电器件、气体传感器、光学涂层和光催化系统的理想选择。

然而，纯Bi₂O₃的固有特性往往无法满足先进器件应用所需的严格性能要求。纯Bi₂O₃的光带隙通常在2.3电子伏特到3.9电子伏特之间。一种成熟且有效的方法是通过引入合适的元素掺杂来调整这些性能。掺杂离子进入晶格后，会显著改变材料的晶体结构、缺陷化学性质和电子能带配置，从而从根本上改变其电学和光学性质。Mg²⁺是Bi₂O₃的理想掺杂剂，这是因为Mg²⁺和Bi³⁺的半径和价态不同。预计镁的添加会改变电子态密度，产生晶格应变，并改变缺陷浓度（如氧空位以补偿电荷），所有这些都会影响材料的功能特性。

尽管许多研究已经探讨了纯Bi₂O₃和掺杂Bi₂O₃系统的性质，但还需要对增加Mg浓度对Bi_2-xMg_xO₃薄膜的光学、介电和结构性质的影响进行全面系统的研究。为了优化这些材料以适应特定应用，了解晶粒尺寸、微应变、Urbach能量、光带隙、折射率、消光系数和介电常数等性质随Mg浓度（x）的变化至关重要。

因此，本研究重点系统地表征了不同Mg浓度（x范围为0到0.1）的Bi_2-xMg_xO₃薄膜。采用X射线衍射研究了结构变化，并利用Wemple-DiDomenico模型结合UV-Vis-NIR光谱测量结果来分析光学性质，计算吸收系数、色散特性、Urbach能量、折射率和消光系数。此外，还计算了介电常数（ε₁、ε₂、Tan δ），以了解薄膜对电场的作用。目的是展示Mg掺杂程度与所得物理性质之间的明确关系，为基于Bi₂O₃的器件开发和生产提供重要信息。

章节摘录

实验程序

本研究中使用的所有化学试剂，如氧化铋、柠檬酸乙酸酯和异丙醇，均从Sigma Aldrich购买。采用溶胶-凝胶燃烧法制备了Bi_2-xMg_xO₃纳米颗粒（其中x的取值为0到0.1）。将柠檬酸、氧化铋和硝酸锌溶解在50毫升异丙醇中。为确保金属阳离子和柠檬酸的量相同，混合物在室温下搅拌，然后用磁力搅拌器将混合物加热至150°C。

晶粒尺寸和晶格应变

图1展示了Bi₂O₃纯薄膜的XRD图谱，以及Mg比例为0.025到0.1的Bi_2-xMg_xO₃薄膜的XRD图谱。所有样品均显示出与单斜α-Bi₂O₃相（符合JCPDS卡片编号41-1449）相关的特征峰。在2θ ～27.9°、31.5°和32.7°处观察到的峰分别对应于（201）、（002）和（220）晶面。

结论

系统研究了不同Mg浓度（0、0.025、0.05、0.1）合成的Bi_2-xMg_xO₃薄膜的介电、光学和结构性能。XRD分析证实，Mg掺杂显著影响了薄膜的微观结构，导致晶粒尺寸从未掺杂时的78.7纳米非单调地减小到x=0.1时的12纳米，并伴随微应变和位错密度的相应变化。

CRediT作者贡献声明

法特玛·H·阿尔卡拉萨：撰写初稿、软件使用、数据管理、概念构思。 阿米拉·本·古伊德尔·特拉贝尔西：撰写初稿、项目管理、概念构思。 易卜拉欣·M·沙拉夫：撰写初稿、方法论制定、数据分析、概念构思。 穆罕默德·S·I·库比西：撰写初稿、验证、软件使用、方法论制定、数据分析、概念构思。 阿卜杜拉齐兹·M·阿博拉亚：审稿与编辑、可视化处理、监督。

数据可用性声明

本研究使用和/或分析的数据集可向相应作者索取。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢：

作者感谢沙特阿拉伯利雅得Nourah bint Abdulrahman大学的研究人员支持项目（项目编号PNURSP2026R223）。