高韧性的多色荧光可调水凝胶，用于信息加密和碱性刺激响应

《Optical Materials》：Multicolor fluorescent adjustable hydrogel with high toughness, used for information encryption and alkaline stimulation response

该研究通过快速热退火优化β-Ga?O?薄膜退火条件，在500-1200℃范围内分析其晶体结构、化学组成和光学性能。XRD证实1100℃时薄膜呈现单斜β相且(-201)晶面择优取向，UV-vis显示高透光率（>85%）和带隙增大。XPS表明1100℃时O/Ga比接近理想值1.5，氧空位减少至10.44%，但1200℃导致铝扩散。PL光谱显示325nm、365nm、415nm特征峰，其中325nm峰随温度升高增强。XRR显示所有薄膜厚度约100nm，1100℃时致密性最佳。AFM显示低温存在涂层 ripple，高温出现裂纹。

　　本研究聚焦于一种新型宽禁带半导体材料——β-Ga?O?薄膜的制备与优化。β-Ga?O?因其独特的物理和化学特性，在电力电子和光电子领域展现出巨大的应用潜力。其宽禁带能量（4.8–5.0 eV）使其能够透过近紫外和可见光，同时在深紫外波段具有较强的光吸收能力，这一特性对于开发高效紫外光电探测器、LED和显示技术至关重要。此外，β-Ga?O?的高击穿电场（约8 MV/cm）使其在高电压电子器件中具有显著优势，相较于传统硅（0.3 MV/cm）和碳化硅（3 MV/cm）材料，其在功率电子系统中可以实现更紧凑的设计，同时降低能耗。

在本研究中，研究人员采用溶胶-凝胶法（sol-gel method）制备β-Ga?O?薄膜，并通过快速热退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）优化其性能。该方法因其操作简便、无需真空环境以及较高的加工效率而受到青睐。然而，溶胶-凝胶法制备的薄膜在预烧结后通常处于非晶态，具有较低的结晶度，因此需要通过RTA实现完全结晶化，并通过减少氧空位来优化其电子和光学性能。研究通过系统分析RTA温度和退火时间对薄膜结构、表面形貌和分子组成的影响，进一步揭示了如何在不引入额外缺陷的前提下，提高薄膜的品质。

在实验过程中，研究人员首先通过超声波清洗去除蓝宝石衬底上的有机残留和杂质，清洗液包括乙醇、丙酮和去离子水。随后，采用硝酸镓（Ga(NO?)?·xH?O）作为前驱体材料，以2-甲氧基乙醇为溶剂，单乙醇胺作为稳定剂，制备出相应的溶胶。通过旋涂工艺将溶胶均匀涂覆在衬底上，并在不同温度下进行快速热退火处理。研究结果显示，当退火温度为1100°C时，薄膜的晶体结构达到了最佳状态，呈现出单斜β相的特征，并在(-201)晶面具有显著的择优取向。X射线衍射（XRD）分析进一步验证了这一结论，表明该温度下薄膜的结晶度和密度均达到最高水平。

同时，研究还发现，当退火温度升至1200°C时，铝元素从衬底中扩散进入β-Ga?O?晶格的现象变得更加明显。X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了与铝相关的峰，表明铝的扩散可能影响薄膜的性能。因此，研究强调了在选择退火温度时需权衡材料的稳定性和性能优化，以避免因铝的扩散而降低器件的可靠性。

在光学性能方面，紫外-可见光谱（UV-vis spectroscopy）分析表明，所有退火处理后的薄膜均表现出高于85%的透射率，且随着氧空位的减少，禁带宽度有所增加。这一现象表明，减少氧空位有助于提升材料的光学性能，同时增强其作为光电子器件的适用性。此外，X射线反射测量（XRR）结果显示，所有样品的薄膜厚度均保持在约100 nm，其中1100°C退火的样品表现出最高的密度，进一步支持了其在高密度器件中的应用潜力。

为了进一步研究氧空位对薄膜性能的影响，研究采用了光致发光光谱（Photoluminescence, PL）技术。PL光谱显示，薄膜中存在三个显著的发光峰，分别位于325 nm、365 nm和415 nm处。其中，325 nm的发光峰在较高退火温度下变得更为突出，这表明氧空位可能对发光行为产生重要影响。研究推测，氧空位的减少可能有助于抑制非辐射复合过程，从而提高发光效率。然而，氧空位的存在也可能导致某些缺陷态的形成，进而影响材料的电子性能。

在表面形貌方面，原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）分析显示，当退火温度较低时，薄膜表面呈现出由旋涂工艺引起的波纹结构；而当退火温度较高时，由于热膨胀系数的差异，薄膜内部出现了裂纹。这一现象表明，退火温度的选择不仅影响薄膜的结晶度和密度，还对表面质量产生重要影响。因此，研究建议在优化薄膜性能时，需综合考虑退火温度和时间，以平衡材料的结构稳定性和表面完整性。

在材料的化学组成方面，XPS分析进一步揭示了氧空位的变化情况。研究发现，在1100°C退火后，O/Ga比值达到约1.4，接近理想的化学计量比1.5，而氧空位的含量则降至10.44%。这表明，通过适当的退火处理，可以有效减少氧空位，提高材料的化学稳定性。然而，当退火温度进一步升高至1200°C时，O/Ga比值可能因铝的扩散而受到影响，导致材料的化学组成发生变化，进而影响其性能。

此外，研究还探讨了快速热退火技术在β-Ga?O?薄膜制备中的作用。RTA不仅能够激活掺杂剂，提高载流子迁移率，还能通过改善热传输特性，减少表面杂质和缺陷。然而，过高的退火温度可能导致表面粗糙度增加，以及掺杂剂的重新分布，因此需要对退火温度、时间以及退火环境进行精确控制，以实现最佳的性能优化。

综上所述，本研究通过溶胶-凝胶法和快速热退火技术，成功制备了具有高光学透射率、良好结晶度和较低氧空位的β-Ga?O?薄膜。研究结果表明，退火温度的选择对薄膜的结构、化学组成和光学性能具有重要影响，而氧空位的减少有助于提升材料的电子性能。然而，过高的退火温度可能导致铝的扩散，从而影响薄膜的稳定性。因此，未来的研究方向应集中在如何优化退火条件，以平衡材料的性能和稳定性，同时探索更有效的缺陷工程方法，以进一步提升β-Ga?O?在光电子和电力电子领域的应用潜力。