NaBaScSi?O?：Cr3?、Er3?荧光粉的高效能量转换机制，实现了强NIR-II/III波段的发光，为多种应用场景提供了有力支持

《Optical Materials》：Efficient energy transfer in NaBaScSi 2O 7: Cr3+, Er3+ phosphor enabling simultaneously strong NIR-II/III emissions for diversified applications

本研究通过溶胶-凝胶法制备β-Ga?O?薄膜，采用快速热退火（RTA）优化结晶结构和减少氧空位。结果表明1100°C退火时薄膜结晶性最佳（(-201)晶面择优取向），O/Ga比达1.4接近理想值，氧空位浓度降至10.44%，紫外-可见光谱显示透光率>85%，但1200°C导致铝扩散并产生表面裂纹。XRD、XPS、PL及AFM分析证实RTA对缺陷工程和性能优化的关键作用。

　　β-Ga?O?作为一种宽禁带半导体材料，近年来因其独特的物理和化学特性受到广泛关注。宽禁带半导体材料相较于传统半导体材料如硅（Si）具有更高的热稳定性、更强的电绝缘性以及更高的击穿电场强度，这使得它们在高功率、高温和高频电子器件中展现出巨大的应用潜力。β-Ga?O?的禁带宽度约为4.8–5.0 eV，这一特性使其在光学和电子领域具有重要价值。其透明性对近紫外和可见光的特性，使其成为紫外光电探测器和透明电子器件的理想材料。此外，β-Ga?O?的高击穿电场强度（约8 MV/cm）也使其在功率电子器件中具有显著优势，能够支持更高电压的运行，同时减少能量损耗。

然而，β-Ga?O?在实际应用中仍面临一些挑战。其中，氧空位的存在是影响其性能的关键因素之一。氧空位会引入缺陷能级，从而影响材料的导电性和光学特性。同时，由于其较低的热导率（约10–30 W/m·K），在高功率应用中需要额外的冷却措施来确保器件的稳定运行。此外，β-Ga?O?实现p型掺杂仍然存在困难，这限制了其在互补型电子器件中的应用。为了解决这些问题，研究者们探索了多种缺陷工程方法，其中快速热退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）被认为是一种有效的技术手段。

本研究聚焦于通过RTA优化β-Ga?O?薄膜的退火条件，以减少氧空位并提高其结晶度和光学性能。采用溶胶-凝胶法（sol-gel method）合成β-Ga?O?薄膜，这种方法因其无需真空环境、工艺简单且成本低廉而被广泛应用于薄膜制备。然而，溶胶-凝胶法制备的薄膜在预烧结后通常处于非晶态或低结晶态，因此需要通过RTA实现其完全结晶化，并进一步进行缺陷调控。通过控制退火温度和时间，可以有效减少氧空位的浓度，同时优化薄膜的表面形貌和化学组成。

研究中使用的溶胶-凝胶法涉及将Ga(NO?)?·xH?O作为前驱体，以2-甲氧基乙醇为溶剂，加入单乙醇胺作为稳定剂。这些材料在一定条件下进行混合、水解和缩聚反应，形成均匀的溶胶溶液。随后，通过旋涂（spin coating）技术将溶胶涂覆在c面蓝宝石（sapphire）基板上，形成薄膜。旋涂过程中，溶液的均匀性和薄膜的厚度受到多种因素的影响，包括旋涂速度、溶液浓度以及旋涂时间。为了确保薄膜的高质量，需要对这些参数进行精确控制。

在退火过程中，研究团队采用了不同温度的RTA处理，以评估其对薄膜性能的影响。通过X射线衍射（XRD）分析，可以观察到薄膜的晶体结构变化。结果显示，在500°C时，薄膜仍保持非晶态，未出现明显的晶格衍射峰。随着退火温度的升高，薄膜的结晶度逐渐提高。在700°C时，出现了(-201)晶面的衍射峰，表明薄膜开始形成β相结构。而在1100°C时，(-201)晶面的衍射峰变得尤为显著，显示出强烈的择优取向，这表明此时薄膜的结晶度达到了最佳状态。值得注意的是，当退火温度进一步升至1200°C时，出现了铝（Al）扩散的现象，XPS分析表明此时Al相关的峰显著增强，说明Al元素从基板向β-Ga?O?薄膜中扩散，这可能对薄膜的电学性能产生不利影响。

除了晶体结构的变化，退火温度对薄膜的化学组成和表面形貌也有显著影响。XPS分析显示，当退火温度为1100°C时，O/Ga的比值接近理想的1.5，氧空位的浓度降低至10.44%。这表明在1100°C的退火条件下，氧空位的减少达到了较为理想的水平。然而，当温度进一步升高至1200°C时，O/Ga比值有所下降，氧空位浓度增加，这可能与Al的扩散有关。此外，原子力显微镜（AFM）的观察结果也揭示了退火温度对薄膜表面形貌的影响。在较低温度下，薄膜表面出现由旋涂过程引起的波纹状结构；而在较高温度下，由于热膨胀系数的差异，薄膜与基板之间可能产生热失配，导致裂纹的出现。这表明，虽然高温退火有助于提高结晶度，但同时也可能引入新的表面缺陷，需要在优化过程中进行权衡。

在光学性能方面，紫外-可见光谱（UV-vis spectroscopy）分析显示，所有退火后的薄膜均表现出高透光率，超过85%。这表明薄膜在可见光范围内具有良好的透明性，符合其作为透明电子材料的应用需求。同时，随着氧空位的减少，薄膜的禁带宽度有所增加。通过Tauc图法计算禁带宽度，可以发现退火温度越高，禁带宽度越大，这可能与缺陷的减少和晶格结构的优化有关。此外，光致发光光谱（PL spectroscopy）分析揭示了薄膜中存在不同的发光峰，分别位于325 nm、365 nm和415 nm处。其中，325 nm的发光峰在较高温度下变得更为显著，这可能与氧空位的减少和晶格缺陷的调控有关。这些发光峰的存在反映了薄膜中不同的缺陷状态，为研究其电子结构和光学特性提供了重要线索。

为了进一步研究缺陷工程的效果，研究团队还通过X射线反射（XRR）技术测量了薄膜的厚度。结果显示，所有样品的厚度均保持在约100 nm左右，且在1100°C退火条件下，薄膜的密度达到最高。这表明，退火温度的优化不仅有助于提高薄膜的结晶度，还能增强其物理和化学稳定性。同时，XRR的测量结果也表明，退火温度对薄膜厚度的影响相对较小，这可能意味着在这一温度范围内，薄膜的生长和结构优化主要发生在晶格层面，而非厚度层面。

综上所述，本研究通过系统分析不同退火温度对β-Ga?O?薄膜的晶体结构、化学组成、表面形貌和光学性能的影响，揭示了RTA在缺陷工程中的关键作用。研究结果表明，在1100°C的退火条件下，薄膜的结晶度、密度和光学性能均达到最佳状态，而氧空位的减少则进一步提升了其电子性能。然而，当退火温度超过1200°C时，铝元素的扩散可能对薄膜的性能产生负面影响，因此需要在退火温度的选择上进行精确控制。通过这些研究，为β-Ga?O?薄膜在电子和光电子器件中的应用提供了重要的理论依据和技术支持。