沉积压力调控射频溅射 TiO2-x薄膜氧空位：开启光带隙与阻变性能优化新篇

为探究沉积压力对 TiO2-x薄膜氧空位形成的影响，研究人员以射频溅射法在不同压力下制备薄膜。结果发现，压力可调控氧空位浓度，影响薄膜光学和电学性能。该研究为 TiO2-x薄膜在光电器件领域应用提供理论依据。

　　在材料科学的奇妙世界里，氧化钛（TiO₂）作为过渡金属氧化物家族的明星成员，凭借其出色的化学稳定性、高耐久性、生物相容性以及优良的光电子性能，吸引着众多科研人员的目光。近年来，TiO_2-x薄膜更是在热传感、紫外光电探测、存储器件等多个前沿领域展现出巨大的应用潜力，尤其是在高效钙钛矿太阳能电池中作为电子传输层，其氧空位（V^•）对能级对齐和电荷载流子提取起着关键作用。

然而，在这个充满希望的研究领域，也存在着一些棘手的问题。氧空位在 TiO₂晶格中就像一把双刃剑，它既能带来诸如产生未成对电子或 Ti³⁺中心等独特性质，进而影响薄膜在紫外 - 可见（UV - Vis）范围内的吸收 / 透射特性，又使得 TiO₂的电子结构变得复杂，难以准确把握氧空位与 Ti³⁺之间的关系。而且，在室温下精确控制 TiO₂中氧空位的形成是一个巨大的挑战，因为这会显著影响薄膜的光学和传输特性，进而限制了 TiO_2-x薄膜在实际应用中的进一步发展。

为了攻克这些难题，来自国内研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于沉积压力对 TiO_2-x薄膜氧空位形成的影响这一关键问题，开展了深入研究。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为该领域的发展带来了新的曙光。

在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。他们采用射频磁控溅射法，在室温下以 99% 纯 TiO₂为靶材，在氩等离子体环境中制备 TiO_2-x薄膜，且沉积过程中不引入氧气。随后，利用掠入射 X 射线反射率（GIXRR）和衍射（GIXRD）技术，分别对薄膜的厚度、粗糙度以及晶体平面进行分析；借助 X 射线光电子能谱（XPS）系统确定薄膜的化学成分；通过紫外 - 可见光谱（UV - Vis）研究薄膜的吸光度 / 透射率特性。此外，还制作了金属 - 氧化物 - 半导体（MOS）器件，进行电流 - 电压（I - V）和高频（HF）电容 - 电压（C - V）测量。

研究结果丰富而有趣。GIXRR 研究表明，制备的薄膜呈现多孔结构，导致薄膜质量密度降低。XPS 研究显示，随着沉积压力的增加，与 Ti³⁺相关的空位和氧空位逐渐减少。从 UV - Vis 光谱分析可知，当沉积压力从 5 mTorr 增加到 40 mTorr 时，薄膜的光学带隙从 2.84 eV 增大到 3.06 eV ，这意味着较低的沉积压力有利于减小光学带隙。在电学性能方面，空位浓度对 I - V 特性有着重要影响，决定了其导电机制是欧姆导电还是空间电荷限制电流。从所有器件的 C - V 特性估计出的正有效氧化物电荷，进一步证实了 XPS 研究中氧空位的存在，并且氧化物电荷密度的降低表明氧空位减少。

综合研究结果和讨论部分，可以得出结论：沉积压力在调控 TiO_2-x薄膜的氧空位方面起着关键作用。通过改变沉积压力，能够有效控制薄膜的氧空位浓度，进而对薄膜的光学带隙、导电机制以及有效氧化物电荷产生显著影响。这一研究成果为 TiO_2-x薄膜在光电器件领域的应用提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动相关领域的技术发展，为未来开发高性能的光电器件奠定了坚实基础。它不仅加深了人们对 TiO_2-x薄膜性能调控的理解，还为解决其他类似材料体系中的相关问题提供了新的思路和方法，在材料科学和相关技术领域具有重要的科学意义和应用价值。