La掺杂对ZnO薄膜光学带隙调节及非线性光学性能提升的影响——在光电器件应用中的研究

纯与镧掺杂ZnO薄膜通过喷涂热解法制备，XRD证实无杂质相结晶结构，晶粒尺寸随掺杂量增至22.35 nm，XPS和EDAX验证元素组成，光学带隙增至3.27 eV，表现出自聚焦效应、正折射率和反饱和吸收特性，4wt.%掺杂样品第三非线性 susceptibility达4.947×10⁻⁶ esu，适用于光学限幅器。

作者：Preethika, Raghavendra Bairy, Suresh D. Kulkarni, Neelamma Gummagol

印度卡纳塔克邦卡尔卡拉尼特大学（Nitte University）纳米材料与应用技术学院（NMAM）纳米科学研究中心物理系

摘要

本研究考察了采用喷雾热解（SP）方法制备的纯ZnO及掺镧ZnO（La:ZnO）薄膜。尽管起始溶液中镧（La）的含量范围为0%至8%，但所有薄膜均在相同的沉积条件下制备而成。掺镧后，X射线衍射（XRD）结果显示形成了无杂质相的结晶ZnO薄膜。场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像显示薄膜中存在大于XRD所检测到的晶粒尺寸的团聚体。根据谢勒公式（Scherrer’s equation）计算得到的薄膜平均晶粒尺寸从掺镧前的15.53纳米增加到掺镧后的22.35纳米。X射线光电子能谱（XPS）证实了镧和锌的氧化态。元素组成通过能量色散X射线光谱（EDAX）进行分析，发现溶液中镧的含量随着掺量的增加而上升。掺镧后，薄膜的光学带隙从3.23电子伏特增加到3.27电子伏特。ZnO薄膜的折射率和消光系数也发生了变化。光致发光（PL）光谱进一步验证了薄膜中存在多种缺陷。制备的La:ZnO薄膜具有自散焦特性、正折射率以及反向饱和吸收（RSA）现象，这些特性通过Z扫描方法得到了证实。含4 wt.%镧的ZnO纳米薄膜的三阶非线性极化率（third-order nonlinear susceptibility）为4.947×10^-6 esu，使其成为光学限幅器的理想材料。

章节摘录

引言

非线性光学研究的是物质与光之间的非线性相互作用，这种相互作用发生在光改变介质光学性质时。由于激光技术、光通信、数据存储技术以及光纤放大应用对高非线性响应（尤其是大三阶非线性极化率）有较高要求，因此非线性光学（NLO）近年来受到了越来越多的关注。

薄膜制备

采用化学喷雾热解（SP）方法，在最佳条件下制备了纯ZnO和掺镧ZnO纳米薄膜。将乙酸锌二水合物和七水合氯化镧（Spectrochem，最低检测限：滴定法，纯度99.99%）溶解于双蒸水中，最终溶液浓度为0.1M。持续搅拌1小时以确保溶液均匀透明。选择0.1摩尔浓度是为了调节薄膜的带隙。

结构特性

图2展示了未掺镧和不同浓度掺镧ZnO薄膜的X射线衍射图谱。

沉积的Zn_1-xLa_xO薄膜的XRD图谱表明其具有多晶结构，衍射峰对应于六方纤锌矿（wurtzite）晶格。主要衍射峰位于（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）和（112）方向，其中（101）方向的强度最高。实验结果与JCPDS-96-230-0117标准卡片非常吻合。

结论

利用0.1M浓度的前驱体溶液，通过喷雾热解法在化学清洗过的玻璃基底上制备出了高度透明的纳米晶Zn_1-xLa_xO薄膜。随着掺镧量的增加（最高达6 wt.%），晶粒尺寸先增大后减小。掺镧导致薄膜表面形态发生变化。当掺镧量为8 wt.%时，薄膜的带隙能量为3.27电子伏特。

作者贡献声明

Neelamma Gummagol： 资料准备。

Dr. Suresh D Kulkarni： 资料准备、撰写与审稿、监督工作。

Preethika： 初稿撰写、审稿与编辑、数据可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建与分析。

未引用参考文献

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利益冲突声明

☒ 作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关联：Raghavendra Bairy博士表示NMAM技术学院提供了行政支持、设备及实验所需物资；Preethika表示NMAM技术学院提供了设备、实验材料、统计分析支持及写作协助；Suresh D Kulkarni博士表示Manipal大学提供了设备、实验材料及写作指导。

致谢

作者Preethika衷心感谢我的博士导师Raghavendra Bairy教授——他不仅是我的学术导师，也是我在NMAM技术学院（卡纳塔克邦卡尔卡拉）物理系的同事。他的专业知识和指导对本文的完成至关重要。同时，我也非常感谢Srihari N. Venugopalrao在数据分析方面给予的宝贵帮助。