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溶液法制备的六方相YbMnO3薄膜具有1.42 eV的直接带隙，光致发光光谱在850-920 nm和970 nm处分别对应氧空位缺陷和Yb3+的4f跃迁，电学测试显示p型导电和0.63 eV的激活能，光照下呈现稳定负光导响应。
阿米特·纳加尔（Amit Nagar）、维沙尔·纳加尔（Vishal Nagar）、普里娅·凯斯（Priya Kaith）、阿肖克·贝拉（Ashok Bera）
印度查谟和克什米尔邦印度理工学院（Indian Institute of Technology Jammu, J & K）物理系（邮编：181221）
摘要
溶液法制备的稀土锰氧化物因其多功能性以及与低成本制造方法的兼容性，正成为下一代电子和光电子器件中的有前途的材料。在本研究中，我们探讨了通过喷雾热解法合成的钙钛矿结构YbMnO3（YbMO）薄膜的光物理性质。厚度为200纳米的颗粒薄膜的光学吸收光谱在870纳米附近显示出明显的吸收峰，根据紫外-可见光吸收测量结果并利用Tauc外推法计算得出其直接光学带隙为1.42电子伏特。光致发光研究表明，在850–920纳米范围内存在宽的发射带，这归因于近带边复合和与氧空位相关的缺陷辅助跃迁；同时在约970纳米处有一个尖锐的发射峰，该峰对应于Yb3+离子的2F5/2→2F7/2内部4f能级跃迁。电学测量显示YbMO具有p型导电性，温度依赖的电阻率表明其传输过程受热激活，激活能为约0.63电子伏特。在光照条件下，YbMO薄膜表现出稳定的负光导电性，这种行为主要由光激活的表面和近表面氧空位过程驱动的空穴浓度减少所主导，这表明喷雾热解法制备的YbMO在多功能电子和光电子应用中具有巨大潜力。
引言
近年来，过渡金属氧化物（TMO）半导体由于其多功能性、结构可调性以及与各种电子和光子应用的兼容性而受到了广泛的研究关注。[1],[2],[3],[4] 具有钙钛矿结构的六角相稀土锰氧化物RMnO3（其中R表示三价稀土阳离子或二价碱土金属阳离子，如La、Ba、Ca、Sr、Y等）尤其值得关注，因为它们结合了半导体行为、磁有序性和缺陷介导的电荷传输机制。[5],[6],[7],[8],[9],[10] 这些氧化物能够在不同温度下加工，并集成到包括半导体和绝缘体在内的多种基底上，为器件设计提供了显著优势。[4,11] 然而，尽管YbMnO3（YbMO）薄膜具有多种潜在功能，但其基本的电学和光电子特性仍待进一步探索，尤其是在与硅等关键技术材料集成时。[12],[13],[14] 理解这些相互作用对于充分发挥YbMO在电子、光检测和能源相关器件中的潜力至关重要，并能提供关于载流子动态的关键见解。[15,16]
本研究采用喷雾热解法在石英和硅基底上沉积了六角相YbMO。为了评估制备薄膜的质量，对其进行了光学、结构（晶体性）、形态和电学特性分析。溶液法制备的YbMO薄膜显示出1.42电子伏特的直接光学带隙（Eg）。氧化膜的电学行为受其与基底界面的强烈影响。YbMO/p-Si器件表现出几乎对称的线性电流-电压（I-V）特性，表明形成了p-p结且势垒很小。相比之下，YbMO/n-Si器件则表现出明显的整流特性，这是p-n异质结的特征，其整流作用主要由耗尽区内的内置场驱动。[18,19] 这些不同的响应突显了YbMO对基底掺杂的敏感性，以及其在基于异质结的器件集成中的多功能性。
温度依赖的电阻率测量进一步表明其传输过程受热激活，激活能为约0.63电子伏特，这与氧化物半导体中常见的受受主驱动的p型导电性一致。[20,21] 除了电学行为外，YbMO的光电响应也进一步证实了其在功能性氧化物器件中的潜力。在445纳米光照下的I-V和瞬态测量结果显示，p-YbMO表现出稳定且可逆的负光导电性，光照下电流减少，而在黑暗中迅速恢复，这证实了有效的光载流子生成和提取。[22],[23],[24] 这种电流减少与先前报道的p型氧化物一致，其中光诱导的氧空位形成和表面氧脱附产生了电子，这些电子与移动空穴复合或耗尽，从而导致光照下的光电流抑制。[25,26] 我们的研究结果表明，溶液法制备的YbMO薄膜是可靠的p型半导体，在自供电光电探测器、基于氧化物的异质结和多功能光电子系统中具有广阔的应用前景。
材料
五水合硝酸镱（Ytterbium (III) nitrate）（Yb(NO3)3·5H2O）、四水合硝酸锰（Manganese (II) nitrate）（Mn(NO3)2·4H2O）以及无水2-甲氧基乙醇（纯度99.8%）。所有化学品的纯度均超过99%，购自Sigma-Aldrich，无需进一步纯化即可使用。
前驱体溶液的制备
通过将Yb(NO3)3·5H2O和Mn(NO3)2·4H2O分别溶解在2-甲氧基乙醇中，并保持1:1的摩尔比，制备了两种前驱体溶液，分别标记为溶液-1和溶液-2。每种溶液均连续搅拌2小时。
结果与讨论
图1(a)显示了在850°C下退火并沉积在涂有SiO2的Si基底上的YbMO薄膜的XRD图谱。XRD谱图中出现了2θ值为15.73°、23.08°、29.66°、30.70°、31.71°、33.70°、38.02°、43.85°、52.52°、57.67°、62.64°和64.18°的峰，分别对应于六角相YbMnO3的(002)、(102)、(110)、(111)、(004)、(112)、(202)、(114)、(300)、(116)、(304)和(222)晶面[参考编号96-900-7906的晶体学开放数据库（Crystallographic Open Database）。
结论
总结来说，成功合成了溶液法制备的YbMO薄膜，这些薄膜具有高质量的结构、相纯度和致密的形态。XRD、XPS和拉曼分析证实了六角相YbMO的形成。光学研究表明其直接带隙约为1.42电子伏特，具有强吸收特性和明显的Yb3+ 4f能级跃迁，表明其适用于光电子和近红外响应应用。温度依赖的光致发光研究进一步凸显了薄膜的优异发射性能。
作者贡献
阿米特（Amit）：研究方法、数据整理、正式分析、初稿撰写。维沙尔·纳加尔（Vishal Nagar）：数据整理、正式分析、实验研究、研究方法。普里娅·凯斯（Priya Kaith）：概念构思、正式分析、结果验证、审稿与编辑。阿肖克·贝拉（Ashok Bera）：概念构思、资金筹集、项目管理、监督、数据可视化、审稿与编辑。
数据可用性声明
本研究的支持数据可应要求向相应作者索取。
作者贡献声明
阿米特（Amit）：研究方法、数据整理、正式分析、初稿撰写。维沙尔·纳加尔（Vishal Nagar）：数据整理、正式分析、实验研究、研究方法。普里娅·凯斯（Priya Kaith）：概念构思、正式分析、结果验证、审稿与编辑。阿肖克·贝拉（Ashok Bera）：概念构思、资金筹集、项目管理、监督、数据可视化、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益或个人关系可能构成潜在的利益冲突：
阿肖克·贝拉（Ashok Bera）报告称设备、药品或试剂由印度政府和工程研究委员会提供。普里娅·凯斯（Priya Kaith）报告称获得了印度政府和科学工业研究委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系。
致谢
A.B. 感谢印度政府和工程研究委员会通过项目编号CRG/2023/001301提供的支持。P.K. 感谢印度政府和科学工业研究委员会提供的财政援助（文件编号09/1325(11459)/2021-EMR-I）。
