通过磁控溅射技术在氧化钇稳定的氧化锆（Yttria-Stabilized ZrO?，100晶面）基底上制备并表征了异质外延的Zn?GeO?薄膜

Zn?GeO?薄膜通过射频磁控溅射在YSZ(100)衬底上制备，经500-900°C退火后系统研究其晶体质量、表面形貌和光学性能。最佳结晶质量出现在700°C退火样品，呈现(2240)∥YSZ(100)的异质外延生长关系，带隙4.81-4.87 eV，可见光透射率达75%以上。

　　

薛一伟|徐彦涛|杜成龙|李向武|白彩迅|王国梅|卢成|张文飞|傅胜贵|刘晓娟|赵莉

山东工业大学物理与光电工程学院，淄博，255000，中国

摘要

本研究采用射频磁控溅射技术在氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）（100）衬底上制备了Zn₂GeO₄薄膜，并在马弗炉中以500°C–900°C的温度进行后续退火处理。系统研究了薄膜的晶体质量、表面形貌和光学性质。结果表明，退火温度为700°C时薄膜的晶体质量最佳，其外延关系为Zn₂GeO₄ (110) ∥ YSZ (100)，且Zn₂GeO₄ [0001] ∥ YSZ [010]。紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱分析显示，Zn₂GeO₄薄膜在可见光区域的平均透射率超过75%，其带隙约为4.81 eV至4.87 eV。

引言

随着芯片技术和光电技术的发展，宽禁带半导体的研究近年来变得越来越重要[[1], [2], [3], [4]]，其性能成为学术界关注的焦点。作为宽禁带半导体，锌锗酸盐（Zn₂GeO₄)具有菱形原始晶胞，空间群为R3，通常被认为是六方晶体结构[[5], [6], [7]]。Zn₂GeO₄具有良好的电导率，以及优异的热稳定性和化学稳定性。此外，其突出的半导体特性，如发光性和适合光催化的带隙，使其成为一种有前景的功能材料[[8], [9], [10], [11]]。在过去十年中，研究人员对其进行了大量探索。Zn₂GeO₄对CO₂具有极强的吸附能力[[12]]，并且通过其优异的光催化性能可以将CO₂还原为可再生的碳氢燃料（CH₄)[[13]]。经过全面的电化学测试，Zn₂GeO₄表现出优异的倍率性能和良好的循环性能，使其适合作为高容量锂离子电池的负极材料[[14,15]]。同时，Zn₂GeO₄与石墨烯的复合材料也表现出优异的储氢性能[[16]]。这些特性为该材料在电化学领域的广泛应用提供了巨大潜力。Zn₂GeO₄掺杂荧光体的电致发光和阴极发光特性使其有可能替代传统的阴极发光荧光体，应用于真空荧光显示器（VFDs）和场发射显示器（FEDs）等低压显示领域[[17,18]]。此外，Zn₂GeO₄还应用于光致发光[[19,20]]、深紫外光电探测器[[21], [22], [23]]、热电器件应用[[24,25]]等领域。

已有多种沉积技术用于生长Zn₂GeO₄薄膜，包括热蒸发[[25]]、脉冲激光沉积[[6,26]]、射频磁控溅射[[27]]等。晶体Zn₂GeO₄已生长在c-cut Al₂O₃[[6,27]]、MgAl₂O₄[[26]]等衬底上。为了探索具有优势特性的替代衬底，我们选择了YSZ。YSZ单晶衬底具有高熔点、优异的稳定性、易于加工，并广泛应用于高温超导薄膜、陶瓷、耐火材料和固体氧化物燃料电池等领域。据我们所知，目前关于在YSZ衬底上沉积单晶Zn₂GeO₄薄膜的报道较少。

本研究采用射频磁控溅射技术在YSZ衬底上制备了Zn₂GeO₄薄膜，并通过马弗炉进行后续退火处理以实现薄膜的结晶。系统研究了沉积在YSZ上的薄膜的晶体结构、外延关系和光学性质。由于其可调的宽禁带、优异的发光性和良好的电导率，这项工作不仅是对Zn₂GeO₄薄膜制备的基础研究，也为其在微电子和光电子器件中的潜在应用铺平了道路，特别是作为发光二极管（LEDs）或紫外光电探测器。

实验细节

Zn₂GeO₄薄膜是在2英寸、0.5毫米厚的YSZ (100)衬底上通过射频磁控溅射技术制备的，使用的靶材为纯度为99.99%的4英寸Zn₂GeO₄，来自泰州Sante Mstar科技有限公司。制备前，YSZ衬底分别用丙酮、酒精和去离子水在超声波清洗器中清洗15分钟，以有效去除有机污染物和油脂，然后进行氮气干燥以防止水渍。

结果与讨论

图1(a)展示了在不同温度下退火前后沉积在YSZ (100)衬底上的Zn₂GeO₄薄膜的XRD θ-2θ扫描结果。沉积后的薄膜中仅观察到YSZ (200)和(400)峰。在500°C退火后，出现了一个位于2θ = 24.99°的弱衍射峰，对应于Zn₂GeO₄ (110)面（JCPD: 11-0687）。随着温度升高到700°C，Zn₂GeO₄ (110)面的衍射峰强度增加。

结论

通过射频磁控溅射技术在YSZ衬底上制备了Zn₂GeO₄薄膜，并对样品进行了不同温度下的退火处理。系统分析了其结构性质和外延关系。结果表明，退火温度对薄膜结构有显著影响。在600–800°C范围内，形成了单晶Zn₂GeO₄外延薄膜，优选取向为Zn₂GeO₄ (110)。其中，700°C时的晶体质量最佳。

CRediT作者贡献声明

薛一伟：撰写——原始稿件、实验研究、数据整理。 徐彦涛：数据验证。 杜成龙：数据验证。 李向武：数据验证。 白彩迅：撰写——审稿与编辑、监督。 王国梅：撰写——审稿与编辑、监督。 卢成：撰写——审稿与编辑、监督。 张文飞：撰写——审稿与编辑、监督。 傅胜贵：撰写——审稿与编辑、监督。 刘晓娟：撰写——审稿与编辑、监督。 赵莉：撰写——审稿与编辑。

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

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62241405）、国家自然科学基金（编号：12104260）和山东省自然科学基金（编号：ZR2020QA058）的支持。