研究用于光电探测器应用的喷雾沉积铜掺杂In2TiO5薄膜的光学特性及紫外线检测性能

《Optical Materials》：Exploring the optical properties and the UV detection properties of spray-deposited Cu doped-In2TiO5 thin films for photo-detector applications

　　

Hajo Idriss|Khalid Hassan Ibnaouf|A. Modwi|Islam Ahmed|Reim A. Almotiri

沙特阿拉伯利雅得，伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学科学研究处

摘要

本研究通过喷雾热解法制备了不同铜含量（1.5%、3.5%和6.5%重量比）的铜掺杂In₂TiO₅薄膜。X射线衍射分析表明，所有沉积的薄膜均为正交晶系结构。铜的引入使得In₂TiO₅晶格的单元格体积和晶格参数均有所减小。光学分析显示，随着铜含量的增加，铜掺杂In₂TiO₅薄膜的带隙能量从2.93电子伏特降至2.52电子伏特，而乌尔巴赫能量则从0.49电子伏特上升至0.74电子伏特。铜含量的增加还导致消光系数、折射率和吸收系数值上升。此外，研究还估算分析了介电常数、电导率和光导率以及色散能量等光电参数。振荡器能量从4.09电子伏特降至3.59电子伏特，而色散能量则从13.65电子伏特升至17.11电子伏特。铜含量的增加还提升了铜掺杂In₂TiO₅薄膜的线性和非线性光学性能。对光探测器性能的分析表明，含3.5%重量比铜的In₂TiO₅薄膜具有更好的光敏性能，其响应度高达538×10^?2安培/瓦特，特定检测率为1.28×10¹⁰琼斯，外部量子效率为18.43%。此外，该装置的响应时间和恢复时间分别仅为0.46秒和0.12秒。这些结果表明，3.5%重量比铜掺杂的In₂TiO₅薄膜非常适合用于高性能可见光光探测器。

引言

近年来，二氧化钛（TiO₂）作为一种重要的金属氧化物，因其出色的光学、电气和化学性能而广受关注。TiO₂的带隙宽度在3.0到3.2电子伏特之间，它在紫外线区域具有很强的吸收能力，这一特性使其被广泛应用于光催化、太阳能电池和自清洁表面等领域[[1], [2], [3], [4]]。此外，TiO₂薄膜还具有较高的折射率以及在可见光范围内的优异光学透明度，因此可应用于涂料、光学涂层、防护窗膜、光催化系统、锂离子电池、超级电容器以及紫外线阻隔剂等多种领域[5,6]。先前的研究已经指出，TiO₂在钙钛矿太阳能电池中起着关键作用，由于其良好的载流子迁移率、出色的化学稳定性和优异的界面性能，TiO₂可作为一种高效的电子传输层[7,8]。这种多功能性和高性能使得TiO₂成为当代光电和能源器件研究中的核心材料[9]。通过适当的掺杂策略，还可以进一步优化TiO₂的功能性能。研究表明，引入铬、碲、银、镍、铝、锑、锂、铜、铟和钴等各种阳离子，可以显著改变TiO₂薄膜的物理性质[10,11]。

Bedrouni及其同事采用旋涂法合成了铽和铟掺杂的TiO₂薄膜。他们的研究结果表明，随着掺杂浓度的增加，载流子密度逐渐升高，未掺杂薄膜的载流子密度为$4.5\times {10}^{13}$厘米^?3，而在最高掺杂浓度下则上升至$2.1\times {10}^{14}$厘米^?3[12]。在另一项研究中，Seifi等人采用溶胶-凝胶法制备了锶和铈掺杂的TiO₂薄膜。他们通过监测甲苯蓝在紫外线和可见光照射下的降解情况来评估这些薄膜的光催化性能。锶和铈的共掺杂显著提升了TiO₂的光催化活性。在紫外线照射下，未掺杂TiO₂的降解效率为42.2%，而锶/铈共掺杂样品的降解效率则上升至66.2%；在可见光照射下，这一数值分别从18.3%提升至41.5%。在所有情况下，甲苯蓝的降解速率都与染料浓度密切相关[13]。最近，Nurfiana等人通过溅射法制备了铜掺杂的TiO₂薄膜，并发现这类薄膜具有很高的降解性能。尽管在紫外线照射过程中缺乏有效的温度控制，且需要更长时间的降解测试，但这些研究为优化TiO₂的制备工艺及其光催化应用提供了有益的参考[14]。

另一方面，氧化铟（In₂O₃）也是一种重要的金属氧化物，具有优异的电气和光学性能。In₂O₃具备出色的化学稳定性、生物相容性、低毒性和成本效益，因此被广泛用于光催化领域[[15], [16], [17]]。此外，In₂O₃还具有良好的结构和催化性能，适用于气体传感器和晶体管等应用[18,19]。不过，由于载流子快速复合以及光吸收主要局限于紫外线区域，其实际应用往往受到限制。为了解决这些问题，研究人员尝试在In₂O₃晶格中引入少量镍、钴、铝、铜、铬、钛、氮和铁等掺杂元素[20,21]。这类掺杂处理能够提升In₂O₃化合物的物理性能[22]。Manoharan等人的研究通过喷雾热解法合成了多晶锆掺杂的氧化铟（In₂O₃）薄膜。这些薄膜呈立方结构，锆含量的增加会导致表面粗糙度上升、电导率提高，同时光带隙也会缩小[23]。Khan及其同事则通过脉冲激光沉积法制备了铁掺杂的In₂O₃薄膜，他们的研究发现，铁含量的增加会降低载流子浓度、电阻率以及霍尔迁移率[24]。在另一项研究中，Jothibas等人采用成本较低的喷雾热解法制备了锌掺杂的In₂O₃薄膜，结果显示锌的引入会降低薄膜的电阻率、透光率以及能带隙[25]。Hong等人则通过激光烧蚀法研究了镍掺杂In₂O₃薄膜的制备方法。镍离子的离子半径为0.69皮米，与铟离子的价态相同，因此可以替代铟离子而不破坏纤锌矿结构[26]。掺杂会引入杂质，从而改变材料的能带结构，形成新的能级。本研究提出了一种全新的材料体系，即铜掺杂的In₂TiO₅，这类组合在现有文献中尚未被报道过。我们通过喷雾热解法制备了未掺杂和铜掺杂的In₂TiO₅薄膜，并对其结构、光学、电气和光电性能进行了表征。本研究旨在探讨不同铜掺杂浓度对这些性能的影响，确定能够最大化器件性能的最佳掺杂水平，尤其是用于光探测器应用。通过研究这种尚未被报道过的掺杂方法，本研究希望为制备具有可定制性能的高性能In₂TiO₅薄膜、进而应用于先进光探测器领域做出贡献。

章节摘录

铜掺杂In₂TiO₅的合成

本研究采用成本低、可规模化生产的喷雾热解法，制备了铜掺杂的铟钛氧化物（In₂TiO₅）薄膜。实验中采用了1.5%、3.5%和6.5%重量比的多种铜掺杂浓度。制备In₂TiO₅溶液时，将60毫升0.2摩尔/升的硝酸铟与30毫升0.1摩尔/升的钛异丙氧基化物混合，然后在70摄氏度下持续搅拌，直至得到均匀且略带乳白色的溶液。对于铜掺杂的

晶体结构分析

通过X射线衍射技术对Cu:In₂TiO₅薄膜的晶体结构进行了分析。图2展示了含1.5%、3.5%和6.5%重量比铜的薄膜的XRD图谱，扫描角度范围为10°到80°（2θ）。所有薄膜均为多晶正交晶系结构，其衍射峰分别位于27.58°、46.17°和52.16°，对应于(202)、(311)和(117)晶面（JCPDS 30-0640）。

随着铜含量的增加，这些衍射峰会出现规律性的位移，这种位移与铜离子对晶格结构的取代有关

结论

本研究成功通过喷雾热解法在380摄氏度下制备出了新型的n型铜掺杂铟钛氧化物（Cu掺杂In₂TiO₅）薄膜。X射线衍射分析确认，所有铜掺杂的In₂TiO₅薄膜均为多晶正交晶系结构。微观结构分析表明，随着铜掺杂浓度的增加，晶粒尺寸逐渐减小，同时由于铜²⁺离子的引入，晶胞也出现收缩现象

资金支持

本研究得到了伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学科学研究处的支持和资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2603）。

作者贡献说明

Hajo Idriss：概念设计、数据整理、正式分析、资金申请、实验研究、方法设计、项目管理、资源协调、软件使用、指导监督、结果验证、可视化处理、初稿撰写。Khalid Hassan Ibnaouf：概念设计、数据整理、正式分析、资金申请、实验研究、方法设计、项目管理、资源协调、软件使用、指导监督、结果验证、可视化处理、初稿撰写及修订。A. Modwi：

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。