脉冲激光沉积法制备钐掺杂氧化锌薄膜的可见光光阻特性与响应时间研究

本研究针对ZnO基光电探测器在可见光区灵敏度不足的问题，通过脉冲激光沉积(PLD)技术制备了钐掺杂氧化锌(Sm:ZnO)薄膜。研究发现Sm3+掺杂通过形成锌空位(VZn)和氧间隙(Oi)缺陷能级，将可见光区归一化电阻响应绝对值提升至2%-8.79%，并解析出1.2-26.7s（载流子生成/复合）和76-858s（表面氧捕获）双响应机制。5 at.% Sm:ZnO薄膜因高响应度和短响应时间成为最佳光探测材料，为宽谱光电探测器开发提供新思路。

　　

在光电探测领域，氧化锌(ZnO)因其3.37 eV的宽直接带隙特性长期被视为紫外(UV)探测的明星材料。然而，这种"紫外偏食"特性却成为其走向实际应用的阿喀琉斯之踵——可见光区的低吸收率导致探测器在日常生活光照环境下表现乏力。传统解决方案如元素掺杂虽能拓展响应光谱，但往往以牺牲载流子迁移率为代价。特别是稀土元素掺杂虽能引入丰富的4f能级，却易引发晶格畸变和二次相分离，使得材料在灵敏度与稳定性之间难以兼顾。

台湾师范大学的研究团队另辟蹊径，选择具有独特4f电子构型的钐(Sm)作为掺杂元素，采用脉冲激光沉积(PLD)技术在c面蓝宝石衬底上制备了Sm浓度梯度为0-10 at.%的Sm:ZnO薄膜。这项发表于《Optical Materials》的研究揭示了钐掺杂如何通过"缺陷工程"打破ZnO的可见光探测瓶颈：不仅实现了最高8.79%的蓝光(450 nm)电阻响应率，更首次解析出双时间尺度的响应机制，为设计新一代宽谱光电探测器提供了理论蓝图。

研究采用PLD技术确保薄膜结晶质量，通过X射线吸收近边结构(XANES)确认Sm³⁺价态，结合X射线荧光(XRF) mapping验证掺杂均匀性。光致发光(PL)光谱解析缺陷类型，时间分辨光阻测量系统量化响应特性。

结果与讨论部分呈现三大发现：

1. 结构表征显示Sm³⁺以三价态均匀取代Zn²⁺位点，伴随锌空位(V_Zn)和氧间隙(O_i)形成以维持电中性。PL光谱中3.3 eV近带边(NBE)发射峰与可见区宽峰证实了缺陷能级的引入。
2. 可见光区光阻响应呈现Sm浓度依赖性，5 at.%样品表现最优。理论分析表明Sm掺杂降低激子结合能，同时V_Zn/O_i缺陷作为载流子陷阱延长电子-空穴对寿命。
3. 响应时间分析揭示双机制：短时间(1.2-26.7 s)对应自由载流子生成/复合与深能级陷阱响应，长时间(76-858 s)源于表面吸附氧的捕获效应。

结论部分指出，该研究通过PLD技术成功制备出高结晶质量的Sm:ZnO薄膜，阐明Sm掺杂通过"三重调控"提升可见光探测性能：① 4f能级拓宽光吸收谱；② V_Zn/O_i缺陷抑制载流子复合；③ 表面态调控优化响应速度。特别值得注意的是，5 at.% Sm:ZnO薄膜在保持高响应度(8.79%)的同时，将短响应时间压缩至1.2 s，这一性能参数已接近实用化要求。研究不仅为稀土掺杂ZnO材料体系提供了完整的表征方法学范例，其揭示的双时间尺度响应机制更可推广至其他氧化物半导体光电材料的设计。