铝（Al）和镍（Ni）掺杂对CeO?薄膜光学、结构和电学性能的比较分析

《Optical Materials》：Comparative analysis of Al and Ni dopants on the optical, structural and electrical properties of CeO 2 thin films

CeO?薄膜通过不同浓度前驱体制备，最佳浓度为0.05 M，带隙3.36 eV，电阻率411 Ω·cm，载流子浓度2.24×101? cm?3。Al和Ni掺杂（2%-10%）显著改变光学、电学和结构性能：Al提高透明性并形成多孔结构，Ni增加氧空位并优化晶粒均匀性。带隙随掺杂浓度变化，晶体尺寸因Al/Ni掺杂分别从11.28 nm降至9.74 nm和5.42 nm。研究证实Al/Ni掺杂对CeO?性能有强调控作用，为光电器件应用提供新方向。

　　

作者：?mran Kanmaz、Tu?ba Bayazit、Fatih Güng?r、Murat Tomakin

单位：土耳其特拉布宗卡拉德尼兹技术大学物理系，邮编61080

摘要

采用旋涂法制备了氧化铈（CeO₂）薄膜，前驱体浓度范围为0.05 M至0.5 M。最终确定最佳浓度为0.05 M。该薄膜的带隙为3.36 eV，电阻率为411 Ω·cm，载流子浓度为2.24 × 10¹⁵ cm^-3。分别以2%、5%和10%的浓度添加了Al和Ni掺杂剂。Al掺杂降低了紫外吸收并提高了光学透明度；Ni掺杂增加了氧空位浓度，进一步降低了紫外吸收。2% Al掺杂时带隙增加到3.48 eV，2% Ni掺杂时带隙增加到3.45 eV。随着掺杂浓度的增加，带隙减小，同时Al掺杂薄膜的晶粒尺寸从11.28 nm减小到9.74 nm；Ni掺杂薄膜的晶粒尺寸从11.28 nm减小到5.42 nm。FESEM分析显示，Al掺杂使薄膜具有更多的孔隙结构，而Ni掺杂则形成了更均匀的晶粒结构。总体而言，这些结果证实Al和Ni掺杂显著影响了CeO₂薄膜的光学、电学和结构性能。

引言

氧化铈（CeO₂）是一种具有稳定氟石型立方晶体结构的稀土氧化物，近年来因其优异的性能而受到关注[1]。其主要优点包括较宽的带隙（约2.8-3.6 eV）[2,3]、较高的折射率（约2.20）[4]、可见光区域的高透明度[5]、优异的热稳定性和化学稳定性[6]、较高的储氧能力[7]，以及Ce⁴⁺/Ce³⁺之间的可逆氧化还原行为[8,9]。这些特性使CeO₂成为多种技术应用的有力候选材料，如光催化[10]、气体传感器[11,12]、湿度传感器[13]、染料敏化太阳能电池[14]和钙钛矿太阳能电池[15,16]。此外，CeO₂薄膜能有效减少表面反射损失，提高光吸收效率，从而提升太阳能电池的整体性能[17]。通过调整制备条件或添加不同掺杂剂，可以改善薄膜的电学、光学和结构性能，以满足特定应用需求[18],[19],[20]。 本研究探讨了不同浓度下制备的CeO₂薄膜的光学、电学和结构性能，以及Al和Ni掺杂对其性能的影响。Al和Ni掺杂通过引起晶格畸变、改变结晶度及晶粒尺寸来调节CeO₂的结构和光学性质[21],[22],[23]。Al³⁺离子的离子半径较小，会导致晶格收缩[24]；Ni²⁺掺杂会生成氧空位并影响带隙结构，从而改变材料的吸收特性和电子-空穴传输过程[25,26]。这类掺杂方法特别适用于增强可见光吸收和调整CeO₂的带结构，以适应光伏和光催化应用[27]。现有文献研究了前驱体溶液浓度对CeO₂薄膜结构、光学和电学性能的影响[28,29]，也探讨了单一掺杂元素对材料功能特性的影响[30],[31],[32],[33]。然而，系统性地先优化未掺杂CeO₂薄膜的浓度，再在同一工艺条件下比较不同掺杂类型和掺杂比例的研究较少。本研究首先在前驱体浓度为0.05 M至0.5 M的范围内制备了CeO₂薄膜，并对其结构、电学和光学性能进行了详细分析；随后对优化后的薄膜分别进行了2%、5%和10%的Al和Ni掺杂处理，采用相同的方法评估了掺杂类型和浓度的影响。

实验部分

采用旋涂法将氧化铈（CeCl₃.7H₂O（99%纯度，Sigma-Aldrich）涂覆在玻璃基底上。向溶液中加入0.2 M浓度的柠檬酸一水合物（C₆H₈O₇.H₂O，99.7%纯度，Merck）15 μL，并用磁力搅拌器搅拌30分钟后静置24小时，以确保薄膜在基底上均匀分布。

结果与讨论

前驱体浓度通过控制溶液粘度和成核过程，显著影响薄膜的均匀性、厚度和光学性能，进而影响最终CeO₂薄膜的结构和电学性质。因此，在进行Al和Ni掺杂之前，确定最佳浓度以获得高质量薄膜至关重要。为此，首先对CeO₂薄膜的制备工艺进行了优化...

结论

本研究系统地研究了不同浓度下CeO₂薄膜的光学、结构和电学性能。低浓度制备的薄膜具有更平滑的表面结构和更稳定的光学性能，为后续掺杂操作提供了良好的基础。Al和Ni掺杂显著改变了薄膜的晶体结构和表面形态；Al掺杂使薄膜更加多孔。

作者贡献声明

?mran Kanmaz：概念构思、数据整理、数据分析、资金获取、实验设计、方法研究、项目统筹、资源协调、初稿撰写及审稿编辑。 Tu?ba Bayazit：实验研究、初稿撰写。 Fatih Güng?r：实验研究。 Murat Tomakin：实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK，项目编号123F238）的支持。作者同时感谢雷杰普·塔伊普·埃尔多安大学工程与建筑学院的薄膜实验室在薄膜制备方面提供的支持。