《Applied Surface Science》：CuO/α-Fe
2O
3 p–n heterojunction thin films: thickness-dependent electronic transport and acetone sensing
编辑推荐：
•通过溅射技术制备的CuO/Fe2O3异质结薄膜。•Fe2O3的厚度控制耗尽层和传输特性。•由p-n界面决定的非单调传感行为。•最佳层厚度可以增强载流子的调节能力。•检测到低至0.8 ppm的丙酮。引言金属氧化物薄膜中的界面工程为在不引入杂价掺杂的情况下定制电子传输和表面反应性提
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通过溅射技术制备的CuO/Fe2O3异质结薄膜。
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Fe2O3的厚度控制耗尽层和传输特性。
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由p-n界面决定的非单调传感行为。
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最佳层厚度可以增强载流子的调节能力。
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检测到低至0.8 ppm的丙酮。
引言
金属氧化物薄膜中的界面工程为在不引入杂价掺杂的情况下定制电子传输和表面反应性提供了一种有效途径。特别是，在互补氧化物半导体之间形成的p-n异质结能够实现能带弯曲和耗尽区的调控，为调节表面控制的导电机制提供了强大的平台[1]。这种效应在化学电阻系统中的相关性尤为突出，因为气体吸附引起的载流子浓度微小变化可以产生可测量的电阻变化[2]。在挥发性有机化合物中，丙酮由于其已广泛记录的与氧化物表面的相互作用及其在环境和生物医学监测中的重要性而成为一种代表性的探针分子。因此，了解界面设计和底层厚度如何影响氧化物双层的传输调控具有基础性和实际意义。
基于金属氧化物（MOX）薄膜的化学电阻传感器提供了一种简单且可扩展的VOC（挥发性有机化合物）检测方法，该方法依赖于与离子吸附的氧物种发生的表面反应所引起的电阻变化[3]。由于其化学稳定性、坚固性和与薄膜加工技术的兼容性，SnO2[4]、ZnO[5],[6],[7]、Fe2O3、WO3[8]和CuO[9],[10]等材料已被广泛研究。其中，CuO作为一种p型半导体，在暴露于还原性气体时表现出明显的电阻变化[11],[12]，特别具有吸引力。
CuO基系统的性能提升通常通过杂价掺杂[12],[13]、纳米结构化[14],[15]或与互补氧化物的异质结形成[10],[17],[18],[19]来实现。在我们之前的工作中，我们证明了Cr掺杂可以调节CuO薄膜中的载流子浓度，从而增强传感响应。在这里，我们探索了一种基于异质界面工程的替代策略：引入n型α-Fe2O3底层来形成CuO/Fe2O3 p-n异质结。这种方法不是通过改变整体组成，而是通过调节底层厚度来调整界面电子性质。
这些双层薄膜是通过磁控溅射制备的，能够实现精确的厚度控制和可扩展性。通过SEM、HRTEM、GIXRD、XPS（包括深度剖析）和EDS等手段进行了结构和化学表征，以验证相组成、界面质量和化学计量比。随后进行了气体传感实验，以评估底层厚度对丙酮电阻响应的影响。观察到的传感信号对Fe2O3厚度的非单调依赖性可以用界面诱导的电子敏化和异质结处的厚度依赖性电荷传输来解释。
章节片段
薄膜沉积
在Ar气氛中，室温下，使用RF磁控溅射从陶瓷Fe2O3靶材（MaTecK GmbH，纯度：99.995%，直径：2.00 cm，厚度：0.125 cm）沉积了厚度分别为8、13、17和21 nm的α-Fe2O3薄膜，沉积前对靶材表面进行了12分钟的预溅射处理以清洁表面。沉积前的基础压力为5.7×10?8 Torr，工作压力为9.0×10?3 Torr。RF功率为130 W，基板以20 rpm的速度旋转以确保厚度均匀
结果与讨论
样品的示意图见图2a。虽然所有样品中的CuO层厚度保持不变，但Fe2O3层厚度dFe2O3分别为8、13、17和21 nm。
使用SEM和TEM研究了CuO/Fe2O3 dFe2O3 = 13 nm薄膜的形貌，结果分别如图2b和c、d所示。图2b展示了Fe2O3厚度为13 nm的CuO层顶部的表面形貌。SEM图像显示薄膜致密且均匀
结论
本研究表明，界面诱导的电子敏化是一种有效的策略，可在不需杂价掺杂的情况下增强CuO基薄膜传感器的响应。通过引入n型Fe2O3底层，形成了CuO/Fe2O3 p-n异质结，从而改变了异质结构内的载流子传输。
观察到传感响应对Fe2O3厚度有明显的非单调依赖性，这突显了...
A. Szkudlarek：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、资源管理、方法论、研究、数据分析、概念化。K. Kollbek：可视化、验证、方法论、研究、数据管理。B. ?ysoń-Sypień：可视化、数据管理。M. Marzec：方法论、研究、数据管理。G. Abdi：可视化、方法论、研究。A. Rydosz：可视化、验证、资源管理、项目管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
该研究项目部分得到了克拉科夫AGH大学的“卓越计划——研究型大学”项目以及波兰国家科学中心（2015/17/D/ST3/00968）的支持。
A. Szkudlarek|K. Kollbek|B. ?ysoń-Sypień|M. Marzec|G. Abdi|A. Rydosz
