氧化镉薄膜的化学喷雾热解：UVC诱导的结构和光学变化以提高光电探测器的性能

《Optical Materials》：Chemical Spray Pyrolysis of Cadmium Oxide Thin Films: UVC-Induced Structural and Optical Modifications for Enhanced Photodetector Performance

本研究采用化学气相沉积法在玻璃基底上制备了CdO薄膜，分析了其结构、光学和缺陷特性，发现带隙为2.44 eV，经UVC处理后性能优化，成功制备了高性能p-n异质结光电探测器。

　　

Mushtaq Abed Al-Jubbori | M.S. Sinjar | Abdelmoneim Saleh

摩苏尔大学纯科学教育学院物理系，伊拉克摩苏尔 41001

摘要：

本文采用成本效益较高的化学喷雾热解技术在450°C下在玻璃基底上制备了氧化镉（CdO）薄膜，并重点研究了其结构、光学特性及缺陷相关性质。测得薄膜的平均厚度约为320纳米。X射线衍射（XRD）分析表明CdO薄膜具有立方晶体结构，平均晶粒尺寸为17.79纳米。扫描电子显微镜（SEM）观察结果显示颗粒呈球形，而原子力显微镜（AFM）则揭示了薄膜的表面粗糙度。紫外-可见光谱分析表明吸收光谱随波长变化，通过Tauc关系计算得出的光学带隙约为2.44电子伏特。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了不同波数下的化学键类型，发现主要存在伸缩振动和弯曲振动两种键振动模式。基于CIE 1931和1976色度模型的光致发光（PL）测量结果显示，发射颜色位于可见光谱的红色-橙色区域。当CdO薄膜受到UVC光照射时，吸收光谱和带隙值均略有下降。制备的p-n异质结光电探测器（n-CdO/p-多孔硅）表现出良好的性能，其光谱响应峰值位于757.38纳米，特定探测率为约7×10^12 Jones，最大量子效率为83.67%（在750纳米处）。

章节摘录

引言：

近年来，半导体金属氧化物因其独特的优异性能而在电子领域受到了广泛关注[1]。其中，未掺杂的氧化镉（CdO）是一种n型半导体，其带隙范围为2.2至2.8电子伏特。其低电阻率（10^-2至10^-4 Ω·cm）取决于合成方法，主要归因于氧空位和镉间隙原子的存在[2]。

样品制备

氧化镉（CdO）溶液的制备采用醋酸镉（分子量M.W = 266.53克/摩尔）进行。这是一种源自美国的白色粉末，由SIGMA CHEMICAL CO.公司提供。为了制备室温下浓度为0.1M的溶液，使用高灵敏度的电子天平称取2.6653克醋酸镉，并将其溶解在100毫升蒸馏水中，随后用磁力搅拌器充分搅拌。

测量薄膜厚度：

为提高测量精度，采用了多种方法测定制备的CdO薄膜厚度，最终确定平均厚度为320纳米。 首先采用传统的重量法（基于公式（1）在450°C的沉积温度下进行测量。该方法通过沉积膜的质量、密度及其沉积面积来计算厚度。使用该方法测得的平均薄膜厚度约为320 ± 20纳米。

结论

通过化学喷雾热解技术在450°C成功合成了氧化镉（CdO）薄膜，该薄膜具有立方多晶结构、均匀的形貌以及2.44电子伏特的直接光学带隙。UVC光照射有效降低了带隙和吸收强度，表明薄膜的结构有序性提高且缺陷密度减少。光学和光致发光分析发现了与缺陷相关的发光现象，傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认了Cd–O和O–H官能团的存在。

CRediT作者贡献声明

Mushtaq Al-Jubbori： 起草初稿、监督工作、数据管理、概念构思。 M.S. Sinjar： 起草初稿、数据管理、概念构思。 Abdelmoneim Saleh： 方法设计、数据管理

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢摩苏尔大学纯科学教育学院物理系对本文研究工作的支持。