铟掺杂氧化铜薄膜的结构与光学改性：化学浴沉积法制备及其增强光致发光性能研究

《Nano Select》：Structural and Optical Modifications of Indium-Doped Copper Oxide (CuO) Thin Films Synthesized by Chemical Bath Deposition for Enhanced Photoluminescence

本文系统研究了铟（In）掺杂氧化铜（CuO）薄膜的化学浴沉积（CBD）制备工艺及其对薄膜结构、形貌和光学特性的调控作用。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电镜（SEM）分析表明，0.3 M In掺杂可显著降低带隙（从2.35 eV至1.90 eV），并在525 nm处实现最强绿色发光（PL），为光伏和光催化应用提供了新型可见光响应材料。

　　

引言

半导体纳米材料因其在光电领域的广阔应用前景备受关注。作为典型的p型窄带隙（～1.2–1.9 eV）半导体，氧化铜（CuO）具有成本低、环境友好等优势，但其固有的低载流子迁移率和快速电子-空穴复合速率限制了光致发光（PL）效率。研究表明，通过铟（In³⁺）掺杂可调控CuO的晶格结构和电子能带，其中化学浴沉积（CBD）法因其工艺简单、低温可控的特点成为理想制备手段。

材料与方法

实验采用铜氯二水合物（CuCl₂·2H₂O）和铟氯二水合物（InCl₂·2H₂O）为前驱体，在pH=9.8的氨水体系中75°C沉积10分钟，获得0.1-0.4 M不同掺杂浓度的薄膜。通过XRD（Cu Kα辐射，λ=1.5406 ?）、UV-Vis分光光度计（200-800 nm）和荧光光谱仪（150 W氙灯）系统表征材料特性。

结果与讨论

结构特性

XRD显示所有样品均呈现单斜晶系结构（JCPDS 80-1268），主要衍射峰位于31.42°（110）、35.09°（002）和39.73°（111）。Scherrer公式计算表明，0.3 M In掺杂使晶粒尺寸从25.38 nm减小至17.86 nm，威廉姆森-霍尔（W-H）分析证实微应变从0.0054增至0.0121，表明In³⁺的掺入引起晶格畸变。

形貌演化

SEM图像清晰展示形貌从纯CuO的纳米棒状（图3a）转变为0.3 M In掺杂的致密颗粒状（图3d）。EDS元素分布图（图4）证实In均匀掺杂，原子百分比达19.12%，且未出现相分离现象。

光学性能

UV-Vis测试显示0.3 M In掺杂使吸收边红移，带隙从2.35 eV降至1.90 eV（图5c）。FTIR谱图中603 cm^-1处Cu-O键振动峰位移（图2），表明In-O键形成。PL光谱在525 nm处出现最强绿色发射（1498 a.u.，表4），归因于In引入的缺陷能级促进辐射复合（图9）。

结论

0.3 M In掺杂通过化学浴沉积成功制备出具有窄带隙（1.90 eV）和高PL效率的CuO薄膜。结构表征证实In³⁺有效掺入晶格并改善载流子传输性能，为太阳能电池和光催化器件开发提供了新材料体系。后续研究将聚焦于电学性能优化及器件集成。