锶掺杂对喷雾沉积V2O5薄膜结构、光学及光探测性能的有效调控作用

《Optical Materials》：Effective role of Sr doping on the structural, optical, and photo-sensing properties of spray-deposited V2O5 thin films

　　

研究人员采用低成本喷雾热解（Spray Pyrolysis）技术，于350 ℃条件下成功制备了锶掺杂五氧化二钒（Sr-doped V2O5）薄膜。X射线衍射（XRD）结构表征证实，Sr掺杂V2O5样品均呈多晶正交结构；随锶浓度升高，晶粒尺寸减小，晶格应变、晶粒数量及位错密度均得到改善。光学分析表明，提高锶浓度可增强Sr掺杂V2O5薄膜的消光系数与吸收系数；吸收系数解析显示其发生直接光学跃迁，且光学带隙由2.36 eV降至1.91 eV。此外，研究人员利用单振子模型（Single-Oscillator Model）成功研究了折射率色散行为，发现色散参数显著增强。非线性光学分析结果显示，提高锶掺杂比例可提升薄膜的非线性折射率与三阶非线性极化率。光电探测器性能评估表明，掺锶量为9 wt.%的V2O5薄膜综合表现最优：响应度达0.585 A/W，比探测率达11.93×108Jones，外量子效率（EQE）高达143%，响应时间与恢复时间分别为1.62秒与1.05秒。100天稳定性测试显示器件性能保持良好，核心指标衰减可忽略。该9 wt.% Sr掺杂V2O5薄膜具备高灵敏度、优异运行稳定性及可扩展性，是可见光光电探测器的理想候选材料，适用于实际光电子器件集成。

本研究针对传统能源成本高、环境负担大的问题，聚焦可再生能源尤其是太阳能利用需求，旨在开发高效、低成本的薄膜太阳能电池窗口层材料。五氧化二钒（V₂O₅）因宽禁带、高光学透过率、低电阻率及优异稳定性成为研究热点，但其本征性能仍需优化以满足光电器件需求。现有研究已尝试铝、镁、氟等元素掺杂改性，但锶（Sr）掺杂对V₂O₅的影响尚未见报道。研究人员选择Sr作为掺杂剂，因其离子半径（Sr²⁺为1.18 ?）与V⁵⁺（0.54 ?）差异显著，可诱导晶格畸变与应变，调控极化子跳跃电导率；同时Sr²⁺低价态需电荷补偿，可能通过V⁵⁺还原为V⁴⁺或引入氧空位提升载流子浓度，且Sr地球储量丰富、毒性低，符合绿色材料发展需求。研究通过喷雾热解法制备不同Sr掺杂量的V₂O₅薄膜，系统表征其结构、光学、非线性光学及光电探测性能，明确最佳掺杂比例，为先进光电器件提供新材料体系支撑。该研究发表于《Optical Materials》。

研究人员采用的关键技术方法包括：以喷雾热解（Spray Pyrolysis）为核心制备工艺，于350 ℃基底温度下制备3 wt.%、6 wt.%、9 wt.%三种Sr掺杂量的V₂O₅薄膜；通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构与微结构演变；利用紫外-可见光谱测试光学性能，结合单振子模型解析折射率色散；采用非线性光学测试系统表征三阶非线性光学参数；构建光电探测器原型器件，在标准可见光照射下测试响应度、比探测率、外量子效率（EQE）、响应/恢复时间及长期稳定性。

研究结果如下：

合成与表征：通过喷雾热解实现Sr掺杂V₂O₅薄膜的可控制备，前驱体为偏钒酸铵溶液，掺杂量精确调控为3 wt.%、6 wt.%、9 wt.%。

晶体相分析：XRD结果表明所有薄膜均为正交晶系（JCPDS No. 86-2248），主衍射峰（010）、（301）、（120）、（402）随Sr浓度增加向高角度偏移，证实晶格常数变化与掺杂诱导的应变效应。

光学性能：吸收系数分析显示直接光学跃迁特征，光学带隙随Sr掺杂量从2.36 eV降至1.91 eV；消光系数与吸收系数显著提升，单振子模型拟合显示色散参数增强。

非线性光学性能：Sr掺杂有效提升薄膜非线性折射率与三阶非线性极化率，归因于掺杂引起的晶格缺陷与载流子浓度变化。

光电探测性能：9 wt.% Sr掺杂样品表现最优，响应度0.585 A/W、比探测率11.93×10⁸Jones、EQE 143%，响应/恢复时间分别为1.62秒与1.05秒，100天稳定性测试中性能衰减可忽略。

研究结论表明，Sr掺杂通过调控V₂O₅的晶体结构与电子特性，实现了光学带隙可调、非线性光学性能增强及光电探测效率提升。9 wt.% Sr掺杂V₂O₅薄膜兼具高灵敏度、快响应与优异稳定性，是可见光光电探测器的理想候选材料，其可扩展的喷雾热解制备工艺为大面积光电子器件集成提供了可行方案，也为金属氧化物半导体掺杂改性研究提供了新思路。