100MeV Ag7+离子辐照对双层结构Au/GeO2薄膜光致发光和介电性能的影响及其在光电应用中的潜力

本研究 investigates 100 MeV Ag?? 离子辐照对 Au/GeO? 薄膜物理、光致发光和介电性能的影响。通过电子束蒸发制备薄膜并采用不同离子流量辐照（1×1012至1×1013 ions/cm2）。结构分析表明辐照促进晶粒生长和纳米颗粒形成，XPS 检测到元素组成及氧化态变化，带隙范围 2.0-2.33 eV，介电常数为 76.5，介电损耗 191（15 kHz），高频率 AC 导电性最佳。PL 特性优化使薄膜适用于蓝/黄 LED 和光电子器件。

　　

马亨德拉·辛格·拉托尔（Mahendra Singh Rathore）|阿南德·Y·乔希（Anand Y. Joshi）|斯里尼瓦萨·拉奥·内拉马里（Srinivasa Rao Nelamarri）

印度古吉拉特邦瓦多达拉（Vadodara）帕鲁尔大学（Parul University）微纳研究与开发中心（Micro-Nano Research & Development Centre），邮编391760

摘要

本研究探讨了100 MeV Ag⁷⁺离子辐照对双层Au/GeO₂薄膜的物理性质、光致发光（photoluminescence）和介电性能的影响。GeO₂和Au薄膜是通过电子束蒸发（E-beam evaporation）技术在硅基底上制备的。随后，这些薄膜在不同离子注量（1×10¹²至1×10¹³ ions/cm²）下进行辐照处理。实验结果表明，辐照过程中发生了晶粒生长和纳米颗粒的生成。通过卢瑟福背散射光谱（Rutherford backscattered spectroscopy）测量确定了薄膜的元素组成，其厚度约为110纳米。X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy）分析了元素的化学成分和氧化状态。随着辐照强度的增加，薄膜的带隙能量从2.0电子伏特（eV）变化到2.33电子伏特。在1×10¹²和1×10¹³ ions/cm²的辐照条件下，薄膜分别表现出强烈的紫外和蓝色光致发光。在1×10¹³ ions/cm²的辐照条件下，薄膜的介电常数和介电损耗分别为76.5和191（单位未提及）。薄膜在高频范围（10⁴至10⁶ Hz）内表现出最高的交流电导率。通过光照实验评估了薄膜的光学性能。研究表明，辐照后的薄膜在蓝光和黄光LED领域具有潜在应用价值，同时也表明Au/GeO₂在光电子器件中具有应用潜力。

引言

近年来，由于半导体氧化物材料在纳米尺度上的优异物理和化学性质，其制备与工程化技术受到了广泛关注[1]。此外，这些材料在现代纳米电子和光学器件中的应用前景使其备受重视。光致发光和介电性能是理解材料光学特性的关键参数[2]，[3]。材料的光致发光现象源于光生载流子与氧气及其他结构缺陷之间的辐射复合[4]，[5]。这些光学活性缺陷导致了紫外和可见光范围内的多种发光现象[6]，[7]。它们是调控材料结构、光学和介电性能的关键因素。不同生长条件和参数可能导致结构变化，从而产生缺陷[4]。在各种半导体氧化物材料中，GeO₂因其独特的物理、化学、电子和光学性质而被视为光电子和存储应用的有希望的材料[4]，[8]。与SiO₂相比，GeO₂具有更高的介电常数、折射率、线性热膨胀系数、热稳定性和更好的机械强度[9]。此外，GeO₂是一种发光材料，由于Ge氧化物中的氧缺陷，能够产生紫外到可见光的发光[10]。GeO₂纳米晶体中的缺陷会导致约3.0电子伏特的蓝光光致发光[11]。

然而，尽管GeO₂具有良好性能，但其宽的带隙限制了其在电子器件中的应用。在薄膜表面添加金属层或金属成分可以提高其介电性能[12]，[13]。金属层还能通过表面等离子体共振（surface Plasmon resonance, SPR）效应稳定薄膜表面[14]，[15]。大多数研究集中在Al、Cu、Ag和Au与GeO₂的复合薄膜上[1]，[13]，[14]，[15]。其中，Au由于不易被环境氧气氧化，成为最受关注的材料。Au纳米颗粒的非线性光学特性、较大的响应幅度和快速响应能力使其在多种应用中具有广泛应用前景。由于等离子体共振效应，Au纳米颗粒在光照下被激发，电子从供体转移到Au纳米颗粒，同时从价带转移到导带[13]，[14]。Au层作为导电接触层，有助于电子元件或光电子器件的集成[15]。Au/GeO_{2组合在光学传感和等离子体增强方面具有优势，因为Au本身也具有显著的SPR效应。此外，金的化学惰性可以保护GeO2表面免受环境侵蚀。Au的高功函数使得金属-绝缘体界面处的能级对齐更加精确，有利于光电子、存储设备和光电探测器的应用[15]。}

近年来，为了调整材料的性能，人们采用了多种沉积参数和后处理方法[4]，[15]。先前已有研究报道了沉积参数（如基底温度和气氛气体环境）对薄膜物理性质和光致发光的影响[4]，[15]。研究人员采用热退火和离子束辐照技术来调控GeO₂薄膜的性能[16]。高能离子束辐照（high-energy ion beam irradiation）是一种重要的可控方法，可用于调控材料的多项性质。当能量高达数兆电子伏特（MeV）的离子撞击固体表面时，会激发并电离原子，能量传递给目标原子，从而改变材料晶格[17]。在高能量下，由于靶材与入射离子的非弹性碰撞，能量会在电子层面（电子能量损失）和原子层面（核能量损失）同时发生损失[18]。在SHI辐照中，电子能量损失（S_e）占主导地位，这会导致材料缺陷的产生而无需植入离子[18]。此外，辐照还可能促使纳米结构自组装[15]。某些研究还发现辐照可导致材料结晶或非晶化[15]。先前有研究使用退火处理和SHI辐照来调节金属氧化物和锗氧化物薄膜的性能[19]，[20]，[21]。Kideuk Nam等人[19]和Chengming Wei等人[20]研究了退火处理对溅射GeO₂薄膜的影响，发现退火温度促进了薄膜的相变和结晶[19]。Rajesh Kumar等人[21]研究了120MeV Au⁹⁺离子辐照对高k值氧化物HfO₂薄膜的影响，发现辐照后薄膜表面粗糙度和晶粒尺寸增大[21]。Vikas Kumar等人[22]研究了150 MeV Fe¹¹⁺离子束对RF溅射SnO₂-TiO₂纳米复合薄膜的改性作用，发现随着离子注量的增加，表面粗糙度和晶粒尺寸也增大[22]。Abhishek Prasad等人[23]研究了80 MeV O⁶⁺和100 MeV Ag⁸⁺离子束对原始TiO₂和Cr/N共掺杂TiO₂薄膜的结构、形态和光学性能的影响，发现离子注量增加时表面粗糙度略有增加[23]。他们还发现425纳米处的光致发光强度随离子注量增加而减弱[23]。这些研究揭示了辐照对薄膜性质的影响。

然而，目前尚无系统性的研究探讨100 MeV Ag⁷⁺离子对Au涂层的GeO₂薄膜物理性质、光致发光和介电性能的影响。现有研究主要关注Ag⁷⁺离子在GeO_x薄膜中产生的电子层面缺陷[15]。在SHI辐照过程中，电子能量损失（S_e）占主导地位，从而影响GeO₂的微观结构[15]。

本研究重点探讨了100 MeV Ag离子在不同离子注量下对Au涂层GeO₂薄膜的性能影响。结果表明，辐照引起的结构和金属结晶改进了薄膜的光致发光性能和介电可调性，表明这些薄膜有望用于发光材料、暗视野LED和光电子器件。

实验细节

采用电子束蒸发技术在硅基底上制备了Au/GeO₂双层薄膜。沉积前，基底使用标准RCA方法进行彻底清洗。纯度为99.998%的GeO₂粉末（购自Sigma Aldrich）在超高真空室中蒸发制备成薄膜。腔内基础压力维持在6×10^-6 mbar，沉积过程中基底温度保持在100°C。

结构分析

使用X射线衍射（X-ray diffraction）技术分析了不同离子注量（100 MeV Ag^{7+₂薄膜的结构，测量范围为20°至70°。XRD谱图中未观察到GeO₂的特征峰，说明薄膜为非晶态，辐照对其结构没有显著影响。相反，薄膜显示出与Au相关的XRD峰。}

结论

研究表明，SHI辐照对Au/GeO₂薄膜的物理、光致发光和介电性能具有调控作用。薄膜通过电子束蒸发制备后，分别接受了1×10¹²至1×10¹³ ions/cm²的100 MeV Ag⁷⁺离子辐照。结果显示，随着离子注量的增加，Au薄膜的结晶度提高；同时观察到晶粒生长。

作者贡献声明

斯里尼瓦萨·拉奥·内拉马里（Srinivasa Rao Nelamarri）：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法论设计。马亨德拉·辛格·拉托尔（Mahendra Singh Rathore）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据分析、概念构建。阿南德·Y·乔希（Anand Y. Joshi）：负责审稿与编辑、数据分析

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢新德里IUAC提供的离子束设施，同时感谢IUAC的Fouran Singh博士的支持和富有成果的讨论。此外，还感谢贾伊普尔MNIT材料研究中心（Materials Research Center, MNIT Jaipur）和帕鲁尔大学微纳研究中心（Micro Nano Research and Development Center, Parul University）提供的测试设备，以及丹巴德IIT（IIT Dhanbad）在光致发光测量方面的帮助。