铯掺杂氧化锌薄膜厚度依赖性物理特性研究及其光电应用优化

本文通过喷雾热解法系统研究了铯(Cs)掺杂氧化锌(ZnO)薄膜(305-677 nm)的厚度效应，揭示了厚度对六方晶相结构、晶粒尺寸(51-58.13 nm)、光学带隙(3.26±0.01 eV)及高频介电常数(ε∞ 3.3→2.89)的调控规律。特别发现电导率(σ)随厚度增加显著提升(0.0053→0.044 Ω-1m-1)，紫外响应时间(上升5.08s/衰减68.86s)与厚度强相关，为光电传感器设计提供量化依据。

　　

Highlight

本研究采用喷雾热解法制备了厚度从305纳米到677纳米可调的铯(Cs)掺杂氧化锌(ZnO)薄膜。所有样品均形成单一六方ZnO相，晶粒尺寸在51-58.13纳米范围内波动。场发射扫描电镜(FE-SEM)显示晶粒尺寸分布具有明显多样性，这对优化薄膜性能至关重要。

光学特性

光学测量显示带隙值稳定在3.26±0.01电子伏特(eV)，而折射率随厚度增加从2.3显著降至1.7（固定Cs掺杂量为5wt%）。通过Spitzer-Fan模型分析，发现高频介电常数(ε_∞)随厚度增加从3.3持续降低至2.89，揭示了电子特性的规律性变化。

电学性能

电导率(σ)随厚度增加呈现惊人提升——从0.0053欧姆^-1米^-1飙升至0.044欧姆^-1米^-1，这表明电荷传输特性得到显著增强，这对光电器件应用至关重要。相应的活化能(E_a)在0.25-0.415 eV范围内变化，显示出整个厚度范围内显著的热敏感性。

紫外响应

在365纳米紫外光照射下，薄膜的响应性能与厚度密切相关：305纳米薄膜获得最短上升时间5.08秒，而400纳米薄膜则表现出最短衰减时间68.86秒。这些发现突显了通过精确调控薄膜厚度来优化ZnO基光电器件性能的巨大潜力。

Conclusion

通过喷雾热解法成功制备了不同厚度的铯掺杂氧化锌(Cs:ZnO)薄膜（305-677纳米）。所有薄膜均呈现单相六方ZnO结构，未检测到杂相，表明材料纯度高且掺杂有效。晶粒尺寸与薄膜厚度的关系呈现非单调变化，FE-SEM显示晶粒呈不规则六边形且尺寸分布广泛。

（注：翻译严格遵循了专业术语标注、符号规范要求，并采用生动表述如"飙升至""惊人提升"等，同时保留了所有科学数据准确性）