ZnMgO薄膜在多基底上的局部热-电-结构特性关联性研究及其纳米器件应用潜力

本研究通过原子力显微镜(AFM)、开尔文探针力显微镜(SKPM)、扫描热显微镜(SThM)和散射型近场光学显微镜(s-SNOM)等多技术联用，系统分析了分子束外延生长的ZnMgO薄膜在不同基底(r/m面Al2 O3 和Si(111))上的结构-热-电特性关联性，揭示了基底选择对薄膜表面形貌、局域热导率(100nm分辨率)和载流子分布的调控规律，为纳米光电器件设计提供重要参数依据。

　　

【研究背景】
在追求更高性能光电器件的浪潮中，宽禁带半导体材料始终占据战略地位。氧化锌(ZnO)凭借3.37eV的禁带宽度和60meV的激子结合能，成为紫外激光器的理想候选材料。然而，当研究者试图通过掺镁(Mg)将其禁带宽度拓展至4.0eV以覆盖深紫外波段时，一个关键矛盾浮现：虽然ZnMgO合金保持了纤锌矿结构，但其热-电-结构特性的协同调控仍存在巨大盲区。特别是在不同基底上生长的薄膜，其晶格失配会导致界面应变，进而影响载流子迁移和热耗散效率——这些问题直接制约着触摸屏、LED和紫外探测器等器件的可靠性。

【研究设计与方法】
西里西亚工业大学联合研究团队在《Micron》发表的工作中，创新性地将五种表征技术进行矩阵式组合：X射线衍射(XRD)验证晶体质量；原子力显微镜(AFM)解析表面形貌和晶粒分布；开尔文探针力显微镜(SKPM)测绘接触电位差(CPD)和功函数；扫描热显微镜(SThM)在亚微米尺度测量热导率；散射型近场光学显微镜(s-SNOM)则捕捉自由载流子浓度空间分布。研究对象为分子束外延(MBE)生长的ZnMgO薄膜，基底选择涵盖r面(01?12)、m面(10?10)Al₂
O₃
及Si(111)，生长温度分别为460°C和550°C。

【主要发现】
•材料与方法
XRD证实r面Al₂
O₃
上生长的薄膜呈现非极性a面(11?20)取向，而m面基底诱导出特殊织构。AFM三维重构显示Si基底样品表面晶粒的CPD信号波动达200mV，显著高于蓝宝石基底样品，暗示界面缺陷态密度差异。

•XRD测量
布拉格-布伦塔诺几何衍射显示，不同基底导致薄膜出现特征峰位移：r面Al₂
O₃
样品在34.2°出现(11?20)峰，而Si基底样品在56.6°出现(11?22)衍射，表明应力状态改变。

•结论
SThM数据显示m面Al₂
O₃
基底薄膜热导率最高(2.1W/mK)，比Si基底样品高40%，这与AFM观测到的晶界密度负相关。s-SNOM揭示载流子在晶界处聚集效应，为解释SKPM测量的功函数分布(4.7-5.2eV范围)提供依据。

【学术价值】
该研究首次建立了ZnMgO薄膜"基底取向-表面形貌-热输运-载流子分布"的四维关联模型。特别值得注意的是，在Si基底上观察到的热导率与CPD信号的反常耦合现象，为设计新型热-电耦合器件提供了理论突破口。研究揭示的亚微米尺度参数梯度变化规律，对高功率UV-LED的热管理具有直接指导意义。技术层面，多模式显微技术的协同方案，为其他半导体异质结体系的表征提供了可复用的方法论框架。

【作者贡献】
Juszczyk Justyna负责数据采集与初稿撰写；Ka?mierczak-Ba?ata Anna提出核心概念并设计实验方案；Pietrzyk Mieczys?aw A.参与结果分析与论文修订。研究获得西里西亚工业大学质量提升项目(14/030/SDU/10–04–01)和波兰科学高等教育部国家同步辐射中心项目(1/SOL/2021/2)支持。