磁控溅射法制备掺杂硅酸铒薄膜的退火与沉积工艺调控及其发光性能优化

为解决硅基光源中铒离子发光效率低、寿命短等问题，浙江大学研究人员通过调控磁控溅射沉积与退火工艺，显著提升了掺杂硅酸铒薄膜的近红外（NIR）和上转换发光（UCL）性能。研究发现，1200°C氧气退火可增强薄膜结晶度、降低氧空位缺陷，使发光强度与寿命同步提升，为硅基高效激光器和光放大器提供了新型增益材料。

　　

硅基光电子技术长期受限于缺乏高效稳定的硅基光源，而铒离子（Er³⁺
）因其4f能级跃迁产生的1.54 μm发光（对应石英光纤最低损耗窗口）被视为理想候选。然而，铒离子的低固溶度、基质依赖性及低吸收截面等问题严重制约其应用。硅酸铒（ErSiO_x
）因高铒浓度和稳定物化性质成为研究热点，但薄膜的结晶度、缺陷含量及铒离子光学活性仍需优化。

浙江大学Huabao Shang等人在《Thin Solid Films》发表研究，通过磁控溅射法制备ErSiO_x
、ErLi_0.5
SiO_x
、Er_0.5
Yb_0.5
SiO_x
及Er_0.5
Yb_0.5
Li_0.5
SiO_x
薄膜，系统考察退火温度（900-1200°C）、时间及气氛（氧气/氮气）对发光性能的影响。研究发现Yb³⁺
作为敏化剂可提升980 nm吸收截面（达11.7×10^?21
cm²
），而Li⁺
掺杂进一步优化[ErO₆
]八面体结构。

关键实验技术
研究采用射频磁控溅射（RF magnetron sputtering）沉积薄膜，以混合氧化物靶材（Er₂
O₃
/Li₂
O/Yb_{23
/SiO2
）在硅基底上制备样品。通过X射线衍射（XRD）分析结晶性能，拉曼光谱检测缺陷浓度，荧光光谱评估近红外及上转换发光特性。}

XRD分析
退火温度升至1200°C时，所有薄膜结晶度显著提高，氧空位缺陷减少。氧气退火相比氮气更有效抑制非辐射复合，使Er³⁺
的1.54 μm发光强度提升3倍。

发光性能调控
优化后的Er_0.5
Yb_0.5
Li_0.5
SiO_x
薄膜在1200°C氧气退火30分钟后，UCL绿光/红光发射比可调，归因于声子能量与缺陷浓度的协同调控。NIR发光寿命延长至毫秒级，满足光放大器增益材料要求。

结论与意义
该研究通过工艺耦合（溅射基底加热+氧气退火）实现了硅酸铒薄膜发光性能的突破，其高发光效率、长寿命及硅工艺兼容性，为集成光器件提供了新解决方案。成果不仅适用于硅基光源，对稀土掺杂功能材料的开发也具有普适指导价值。