铌掺杂二氧化钛薄膜的合成与表征：紫外性能增强机制及光电传感器应用

本研究针对紫外(UV)探测器在国防预警、环境监测等领域的重大需求，通过液相沉积法(LPD)制备了不同铌(Nb)掺杂浓度(0-6%)的TiO2薄膜。研究发现TiO2-4%Nb样品在10V偏压下产生70μA光电流，其优异的UV响应源于Nb掺杂提升的载流子浓度。该工作为开发高性能太阳能盲区(240-280nm)探测器提供了新材料体系。

　　

在当今科技领域，紫外探测技术正成为国防安全、空间探索和环境监测的核心手段。特别是240-280nm波段的"太阳能盲区"探测，因其能有效规避太阳辐射干扰而备受关注。然而，传统紫外探测器面临着材料稳定性差、响应速度慢等瓶颈问题。二氧化钛(TiO₂)作为一种宽禁带半导体(3.0-3.2eV)，因其优异的化学稳定性和成本优势被视为理想候选材料，但本征TiO₂的载流子迁移率低严重制约其探测性能。

为突破这一限制，研究人员通过液相沉积法(LPD)在氟掺杂氧化锡(FTO)玻璃基底上制备了系列Nb掺杂TiO₂薄膜(x=0,1,2,4,6%)。该方法采用两步沉积工艺确保薄膜均匀性，并在550°C下进行退火处理。研究团队运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等技术对材料进行系统表征，并通过光电流测试评估其UV响应性能。

结构特性表征
XRD分析显示所有样品均呈现典型TiO₂衍射峰，但Nb掺杂导致峰宽增加、强度降低，表明Nb⁵⁺成功掺入晶格。通过Scherrer公式计算发现，4%Nb掺杂样品晶粒尺寸最小，这有利于增加活性位点。FE-SEM显示薄膜表面纳米颗粒分布均匀，截面分析确认厚度约500nm。

光学性能研究
UV-Vis测试表明Nb掺杂对TiO₂带隙影响有限，但显著改变了光吸收特性。值得注意的是，4%Nb掺杂样品在太阳能盲区表现出最强的光吸收，这与其特殊的电子结构相关。

紫外响应性能
光电测试显示所有Nb掺杂样品的光电流均高于本征TiO₂，其中TiO₂-4%Nb在10V偏压下的光电流达70μA，比未掺杂样品提高近3倍。进一步分析表明，适量Nb掺杂能有效增加载流子浓度，将费米能级推向导带，从而提升电荷分离效率。

性能参数分析
研究团队系统计算了响应度、量子效率、比探测率和UV灵敏度等关键指标。结果显示4%Nb掺杂样品具有最优异的综合性能，其快速响应特性(毫秒级)特别适合实时监测应用。

这项研究证实Nb掺杂是提升TiO₂紫外探测性能的有效策略，4%为最佳掺杂浓度。其创新性体现在：首次采用LPD法制备TiO₂:Nb薄膜探测器；明确了掺杂浓度与性能的定量关系；开发的材料在太阳能盲区具有独特优势。该成果不仅为新型紫外探测器设计提供了理论依据，其简易的制备工艺更具备工业化应用潜力，在航空航天辐射监测、生化战剂预警等领域具有重要应用前景。