铒掺杂氧化锌薄膜的溶胶-凝胶法制备及其在光电与环境修复中的性能调控研究

本研究通过溶胶-凝胶浸渍法合成铒(Er)掺杂ZnO薄膜，系统探究了Er含量对材料结构、光电及光催化性能的调控机制。研究发现，适度Er掺杂(2–5%)可提升薄膜均匀性及近带边发射强度(NBE, 405–416 nm)，而过量掺杂(>10%)会引发晶界缺陷。光催化实验表明，2% Er-ZnO在紫外光下对亚甲基蓝(MB)降解效率最优，10% Er-ZnO在太阳光下表现突出。该研究为开发高效环境修复材料与光电器件提供了理论依据。

　　

在环境污染治理与绿色能源技术快速发展的今天，半导体光催化材料因其高效降解有机污染物的能力成为研究热点。其中，氧化锌(ZnO)因其3.37 eV的宽禁带特性与60 meV的高激子结合能，被视为TiO₂
的理想替代材料。然而，其固有缺陷——可见光吸收率低、载流子复合速率快，严重制约了实际应用效能。如何通过元素掺杂调控ZnO的电子结构，成为突破这一技术瓶颈的关键。

Abbes Laghrour大学Khenchela分校的研究团队创新性地采用溶胶-凝胶浸渍法(dip-coating)制备了不同Er掺杂浓度(0–15 at.%)的ZnO薄膜，系统研究了稀土元素掺杂对材料多维度性能的影响规律。该研究成果发表于《Thin Solid Films》，为开发新一代环境友好型功能材料提供了重要实验依据。

研究团队通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、光致发光谱(PL)和电化学阻抗谱等表征技术，结合紫外/太阳光下的亚甲基蓝(MB)降解实验，揭示了Er掺杂浓度与材料性能的构效关系。实验选用玻璃基底，以锌 acetate 二水合物和ErCl₃
·6H₂
O为前驱体，通过控制浸渍-退火工艺制备系列薄膜样品。

结构分析
XRD证实所有样品均保持六方纤锌矿结构，但10–15%高浓度掺杂时出现Er相关杂相，表明Er在ZnO基质中的固溶极限约为7%。衍射峰位偏移证实晶格应变随掺杂量增加而增强，这为后续光电性能变化提供了结构解释。

形貌演变
SEM显示2–5% Er掺杂使薄膜致密化，而≥10%掺杂引发孔洞与晶界缺陷。这种形貌转折点与XRD发现的固溶极限高度吻合，证实适度掺杂可优化结晶质量。

光学特性
PL谱中405–416 nm的近带边发射(NBE)强度随Er含量增加而提升，15%时达到峰值。同时486/528 nm缺陷发射峰的变化表明Er掺杂改变了电荷捕获机制，这为光生载流子分离效率的提升提供了直接证据。

电学性能
阻抗谱分析发现10% Er掺杂使并联电阻(R_p
)降至最低，但15%时因过量缺陷导致电阻回升。这种非线性变化规律为掺杂浓度优化提供了明确阈值。

光催化效能
MB降解实验显示：2% Er-ZnO在紫外光下反应速率常数最高(0.018 min^?1
)，而10%样品在太阳光下表现最优。清除剂实验证实·OH自由基是紫外光降解的主要活性物种，这一发现为光催化机制解析提供了关键依据。

该研究通过多尺度表征揭示了Er掺杂浓度与ZnO性能的定量关系：适度掺杂(2–5%)可协同优化结构完整性与光电性能，而7%被视为固溶极限临界点。特别值得注意的是，不同应用场景存在最佳掺杂阈值——紫外光催化偏好低浓度掺杂，而太阳光利用需要更高Er含量。这一发现为环境修复材料的场景化设计提供了新思路。

Romaissa Allouche等的工作不仅阐明了稀土掺杂ZnO的构效关系，更建立了"掺杂浓度-缺陷工程-应用场景"的调控范式。其创新价值体现在三方面：首次明确Er在ZnO中的固溶极限；发现掺杂浓度对光催化路径的选择性影响；为开发太阳光响应的环境修复材料提供了可量化的制备标准。这些成果对推动绿色催化技术与光电功能器件的发展具有重要指导意义。