30 keV Ar+离子注入调控射频溅射ZnO薄膜的结构、形貌与光学性能研究

推荐：本研究针对ZnO薄膜在光电器件应用中性能调控的需求，采用30 keV Ar+离子注入技术（1×1015-2×1016 ions·cm?2），系统分析了E2（high）和A1（LO）拉曼模式的演变规律，揭示了晶粒尺寸减小、表面粗糙度降低与带隙调控的关联性，为开发高性能透明窗口和抗反射涂层提供了新策略。

　　

在光电材料领域，氧化锌（ZnO）因其3.37 eV的宽禁带和60 meV的大激子结合能，成为液晶显示器、太阳能电池和发光二极管的核心材料。然而，如何精确调控其结构缺陷与光学性能仍是重大挑战。传统掺杂会改变材料化学计量比，而高能离子注入又易导致不可控损伤。针对这一瓶颈，库鲁克谢特拉大学离子束中心的研究团队创新性地采用低能（30 keV）惰性Ar⁺离子注入技术，通过1×10¹⁵至2×10¹⁶ ions·cm^?2的宽范围注量调控，实现了对射频溅射ZnO薄膜结构、形貌和光学性能的精准裁剪，相关成果发表在《Beilstein Journal of Nanotechnology》。

研究团队综合运用掠入射X射线衍射（GXRD）、拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）和紫外-可见-近红外光谱等技术。通过TRIM模拟计算位移原子数（dpa），结合实验数据建立了注量-缺陷-性能的定量关系。

结构分析
GXRD显示（002）峰强度随注量增加而降低，晶粒尺寸从14.42 nm减小至10.97 nm，位错密度升至0.83×10¹⁶ m^?2。拉曼光谱中E₂（high）模式（433 cm^?1）强度下降，而A₁（LO）模式（577 cm^?1）增强，且出现101-200 cm^?1的缺陷诱导宽峰。通过声子寿命计算发现A₁（LO）模式寿命从0.138 ps缩短至0.104 ps，证实缺陷浓度增加。

形貌分析
AFM显示表面粗糙度从6.92 nm降至3.58 nm，晶粒尺寸缩减53.78 nm。FESEM进一步验证该趋势，符合Kahng理论预测的离子溅射-表面扩散竞争机制。

光学分析
库贝尔卡-芒克函数表明带隙从3.29 eV红移至2.89 eV，Urbach能量从0.10 eV增至0.17 eV。反射率降低至11.8%，证实其抗反射性能提升。

这项研究创新性地证明：低能Ar⁺注入通过可控引入氧空位和锌间隙缺陷，在不改变化学计量比的前提下，同步实现表面平滑化（粗糙度↓46%）、带隙窄化（↓12%）和光吸收增强。特别是2×10¹⁶ ions·cm^?2注量样品兼具3.58 nm超光滑表面和2.89 eV窄带隙，为开发新一代光电器件提供了理想材料平台。研究建立的"注量-缺陷-性能"调控模型，为功能性氧化物薄膜的离子束改性提供了普适性方法论。