探究金红石Sn1–xGexO2纳米晶体中由锗诱导的应变与发光现象

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Probing Ge-Induced Strain and Emission in Rutile Sn1–xGexO2 Nanocrystals

GeO2合金通过Sn掺杂实现rutile相稳定，X射线纳米探针揭示Ge富集于晶界并形成应变梯度，氧空位和表面比例升高导致边区2.1 eV橙光发射增强。

　　

金红石相的GeO₂及其合金（如Sn_xGe_1–xO₂）由于其超宽的带隙（4.4–4.7 eV）、高的载流子迁移率、双极性掺杂能力和优异的导热性，成为极具前景的半导体材料。然而，在常温条件下，GeO₂更倾向于以α-石英相的形式结晶，这限制了对其金红石相的研究。通过将SnO₂与GeO₂合金化，可以稳定这种亚稳态相。本文报道了在Zn₂GeO₄纳米线上生长的金红石-Sn_xGe_1–xO₂纳米晶的纳米尺度特性研究，成功实现了远超其溶解极限的Ge掺入量，同时保持了金红石结构。利用先进的X射线纳米探针技术，我们对单个Sn_xGe_1–xO₂纳米结构的成分、结构和光学性质进行了综合分析。研究结果表明，Ge主要在晶体的棱面上富集，形成了局部应力梯度，但并未破坏金红石相的结构。空间分辨的发光测量显示，在棱面处出现了与缺陷相关的橙色发射（约2.1 eV）。第一性原理计算证实，虽然Ge的掺入改变了合金的带隙，但发光现象主要受氧空位的存在以及晶粒边缘的表面积与体积比增加的影响。这些发现为表征和设计具有可调光电特性的下一代氧化物纳米材料提供了一种可靠的多模式纳米尺度方法。