镧掺杂调控ZnO的结构、光学与电学特性：从材料设计到高频器件应用

研究人员通过湿化学法合成La掺杂ZnO材料，系统研究了掺杂浓度对晶体结构、形貌及介电性能的影响。发现1% La掺杂可保持ZnO六方纤锌矿结构，而更高浓度会引入杂质相；介电常数随温度升高而增大，3% La掺杂样品阻抗最高。该工作为开发高频微电子器件（如LED、激光二极管）提供了新型材料设计策略。

　　

在微电子器件领域，材料的介电性能直接影响信号传输速度与能耗。氧化锌（ZnO）作为一种宽带隙（3.37 eV）半导体，虽在光电器件中应用广泛，但其介电常数过高（>3.5）制约了高频场景应用。传统过渡金属掺杂虽可调控性能，但稀土元素特别是镧（La）的掺杂机制尚不明确。La³⁺离子半径（1.16 ?）远大于Zn²⁺（0.74 ?），这种晶格畸变可能带来独特的电学特性，但相关系统性研究仍属空白。

Fakir Mohan大学与Alagappa大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过湿化学法合成La掺杂浓度梯度（1%-5%）的ZnO，结合X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和阻抗分析仪等技术，首次揭示了La掺杂浓度-结构-性能的定量关系。

关键技术包括：湿化学法制备La-ZnO纳米粉体、800℃退火处理、聚丙烯醇（PVA）粘结剂压片工艺，以及宽频域（50 Hz-8 MHz）介电性能测试。

【X射线衍射分析】
XRD证实所有样品均保持六方纤锌矿结构（JCPDS 80-0075），但>1% La掺杂出现La₂O₃杂质峰。晶体尺寸从38.61 nm（未掺杂）降至29.55 nm（5% La），表明La抑制晶粒生长。

【形貌与光学特性】
扫描电镜显示形貌从球形（未掺杂）→六方棒状（1% La）→片状（5% La）演变。紫外可见光谱测得带隙从3.20 eV线性增至3.24 eV，归因于Burstein-Moss效应。

【电学性能】
介电常数在室温下随La含量增加而降低，但随温度（400-500℃）升高而增大。3% La样品阻抗最高，Cole-Cole图证实晶界主导导电行为。AC电导率符合Jonscher幂律，高频区载流子跃迁机制占优。

该研究首次建立La掺杂浓度与ZnO多尺度性能的关联规律：1% La为结构稳定性阈值，3% La实现最佳阻抗特性。通过晶界工程调控，材料在500℃仍保持稳定介电响应，为高温高频器件（如卫星通信滤波器）开发提供新思路。作者特别指出，La掺杂ZnO的介电损耗角正切值（tanδ）<0.02，满足5G通信基板材料要求，其成果已申请印度专利（未列出专利号）。