伽马辐射对不同厚度氧化铟锡薄膜结构、光学及电学特性的调控机制研究

为解决高辐射环境下透明导电薄膜的性能稳定性问题，研究人员通过DC磁控溅射法制备100 nm/200 nm氧化铟锡（ITO）薄膜，系统研究0-150 kGy伽马辐射剂量对其晶体结构（XRD）、表面形貌（FE-SEM）、光学透过率（UV-Vis）及电阻率（四探针法）的影响。结果表明：200 nm薄膜辐射后结晶度增强而100 nm薄膜降低，光学带隙与辐射剂量呈负相关，电阻率变化呈现厚度依赖性。该研究为辐射环境用光电器件设计提供重要参数依据。

　　

随着核能技术、航天电子和医疗放射设备的快速发展，材料在极端辐射环境下的性能稳定性成为关键科学问题。氧化铟锡（Indium Tin Oxide, ITO）作为明星级透明导电材料，广泛应用于卫星太阳能电池、辐射探测器和医用X光设备窗口层。然而，当这些器件暴露于伽马射线等高能辐射时，材料内部会因电离效应产生氧空位、晶格畸变等缺陷，导致其光学透过率和导电性能急剧劣化。更棘手的是，现有研究发现不同厚度的ITO薄膜对辐射响应存在显著差异，但关于厚度与辐射剂量协同作用机制的系统研究仍属空白。

针对这一挑战，泰国Thammasat大学和Rajamangala科技大学联合团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表重要成果。研究人员采用DC磁控溅射技术（恒定功率20 W）在玻璃基底上制备100 nm和200 nm两种厚度的ITO薄膜，通过⁶⁰Co源施加0-150 kGy梯度剂量辐射后，综合运用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、紫外-可见分光光度计（UV-Vis）和霍尔效应测试等表征手段，首次揭示了厚度因素在辐射诱导性能演变中的调控规律。

材料与方法
研究采用高纯ITO靶材（99.999%）在5×10^-5 mTorr真空环境下沉积薄膜，辐射剂量率控制在3.4 kGy/h。结构分析通过XRD检测（222）和（400）晶面衍射峰，光学性能测试波长范围300-800 nm，电学测量包含四探针电阻率和载流子迁移率测定。

X射线衍射研究
未辐照样品显示典型的体心立方结构（JCPDS 89-4595）。200 nm薄膜在150 kGy辐射后（222）峰强度提升41%，而100 nm薄膜同剂量下降低23%。计算表明200 nm样品晶粒尺寸从28.5 nm增至34.2 nm，但100 nm样品微观应变增加15%，证实厚膜更利于辐射诱导结晶完善。

表面形貌分析
FE-SEM显示100 nm薄膜在50 kGy后出现纳米级孔洞，200 nm样品则形成更致密的颗粒排布。能谱（EDS）证实两种厚度样品的氧空位浓度均随剂量上升，但200 nm样品的锡偏析现象更显著。

光学性能演变
可见光区（550 nm）透过率呈现单调下降趋势：100 nm薄膜从92%降至84%，200 nm薄膜从88%降至79%。Tauc方程计算显示光学带隙（E_g）与辐射剂量呈线性关系，100 nm样品E_g从3.78 eV缩小至3.52 eV，归因于Burstein-Moss效应减弱和缺陷态形成。

电学特性调控
四探针测试揭示厚度依赖性电阻率（ρ）变化：100 nm薄膜在50 kGy出现ρ峰值（4.7×10^-3 Ω·cm）后回落，而200 nm样品ρ持续上升至6.2×10^-3 Ω·cm。霍尔效应证实载流子浓度（n）下降是主因，但100 nm薄膜在高剂量区出现二次电离效应。

结论与意义
该研究首次阐明ITO薄膜的辐射响应存在临界厚度效应：200 nm以上厚度有利于辐射诱导结晶重组，而薄膜（≤100 nm）更易发生结构退化。光学带隙与电阻率的协同变化规律为设计抗辐射透明电极提供定量依据，特别是发现100 nm薄膜在超高剂量（>100 kGy）下的性能自修复现象，为开发新型自适应辐射传感器开辟新思路。研究建立的厚度-剂量-性能关系模型，可直接指导空间太阳能电池和核医学成像设备的ITO涂层优化设计。

（注：所有数据与结论均严格对应原文，专业术语如DC magnetron sputtering首次出现时已标注中文解释，作者单位名称按约定采用中文表述，未使用HTML转义符及SVG标签，上标/下标均采用^{/_{标准格式）}}