氧压调控脉冲激光沉积NiO薄膜结构光学特性及其在自驱动宽谱光电探测器中的应用研究

为解决物联网传感器对自供电器件的迫切需求，印度理工学院团队通过调控脉冲激光沉积(PLD)环境氧压(AOP)，系统研究了NiO薄膜的结构/光学特性变化及其对p-NiO/n-Si异质结紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)自驱动光电探测器性能的影响。研究发现镍空位可有效调控材料带隙与导电性，最终获得响应度达32 mA/W@455 nm的高稳定性快速响应器件，为环境友好型光电器件设计提供新思路。

　　

随着物联网(IoT)设备数量突破500亿大关，传统光电探测器(PD)对外部电池的依赖成为制约发展的瓶颈。这些电池不仅含有有毒物质，其更换维护成本在大型传感器网络中更显棘手。特别是在航天领域，外部电源显著增加发射成本。开发能自然收集能量的自驱动PD成为当务之急，而宽禁带金属氧化物因其优异的物化特性成为理想候选材料。

印度理工学院团队选择氧化镍(NiO)这一具有丰富缺陷态的材料体系，通过精确控制脉冲激光沉积(PLD)过程中的环境氧压(AOP)，深入探究了非化学计量比对材料性能的影响机制。研究发现镍空位不仅能作为有效受主提升导电性，还会改变材料在可见光区的透光特性。该研究创新性地将实验观测与第一性原理DFT+U计算相结合，揭示了AOP通过调控镍空位浓度影响NiO/Si异质结光电转换效率的物理本质。相关成果发表在《Thin Solid Films》上。

研究采用PLD在n型Si(100)衬底上沉积NiO薄膜，通过改变氧压(0-40×0.133 Pa)制备系列样品。结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和光谱椭偏仪等表征手段，系统分析薄膜结构形貌与光学特性。采用密度泛函理论(DFT+U)计算不同空位浓度下的电子结构，并构建p-NiO/n-Si异质结器件测试其光电响应性能。

【Fabrication of NiO/Si heterostructure】
使用355 nm Nd:YAG激光器在室温下沉积NiO薄膜，通过调控AOP实现镍空位浓度梯度控制。衬底清洗采用标准RCA工艺，确保界面质量。

【Results and discussions】
XRD证实所有薄膜均呈现面心立方结构(空间群225)，40×0.133 Pa样品结晶度最佳。XPS显示镍空位浓度与AOP呈正相关，Ni³⁺
/Ni²⁺
比例从0.21增至0.38。椭偏仪数据表明空位增加导致光学带隙从3.72 eV降至3.52 eV，与DFT计算结果吻合。AFM显示表面粗糙度随AOP先降后升，40×0.133 Pa时达最小值0.82 nm。光电测试显示该条件制备的器件在455 nm光照下响应度达32 mA/W，响应/恢复时间为0.42/0.38秒。

【Conclusion】
研究证实AOP通过调控镍空位浓度可同时优化NiO薄膜的结晶质量与光电特性。40×0.133 Pa条件下制备的p-NiO/n-Si异质结兼具高响应度与快速切换特性，其无外置电源工作模式为开发环境友好型光电传感器开辟新途径。该工作建立的"工艺参数-缺陷工程-器件性能"关联模型，为其他氧化物半导体器件的性能优化提供重要参考。