氮离子注入调控AZO薄膜结构及光学性能的机理研究与应用探索

本研究通过高能氮离子注入技术突破固溶度限制，实现了Al掺杂ZnO(AZO)薄膜的p型半导体转变。采用射频磁控溅射(RFMS)制备薄膜后，结合原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱等多维表征手段，发现N注入可减小晶粒尺寸并降低表面粗糙度。光谱椭偏仪(SE)和光致发光(PL)测试表明，该技术显著拓宽了可见-近红外波段的透光窗口，使吸收边和发光峰红移，并通过第一性原理计算证实其带隙缩小机制，为开发高性能p型透明电极奠定理论基础。

　　

在光电材料领域，氧化锌(ZnO)因其3.37 eV的宽禁带和60 meV的大激子结合能，被视为紫外光电器件的理想候选材料。然而，天然ZnO存在p型掺杂困难的瓶颈，制约了其在双极型器件中的应用。虽然铝(Al)掺杂可制备低电阻、高透光的AZO薄膜，但其近红外透光率不足且带隙调控受限。氮(N)因与氧(O)相似的原子半径和电负性，被视为实现p型转变的最佳受主掺杂剂，但传统掺杂方法受限于固溶度且难以精确控制空间分布。

山东大学信息科学与工程学院（山东省激光技术与应用重点实验室）的研究团队创新性地采用高能氮离子注入技术，通过对不同Al掺杂浓度(1 at%和2 at%)的AZO薄膜进行系统研究，实现了材料结构与光学性能的精准调控。相关成果发表在《Optical Materials》上，为解决p型透明电极开发难题提供了新思路。

研究团队主要运用射频反应磁控溅射(RFMS)制备薄膜，结合离子注入技术实现氮掺杂；采用原子力显微镜(AFM)分析表面形貌，X射线衍射(XRD)和拉曼光谱表征晶体结构；通过光谱椭偏仪(SE)、吸收光谱和光致发光(PL)光谱检测光学性能；并基于第一性原理计算揭示能带结构变化机制。

实验部分
研究采用射频磁控溅射在蓝宝石(Al₂O₃)基底上沉积300±10 nm的AZO薄膜，工作气压3.5 Pa，沉积温度400°C。随后在100 kV加速电压下注入1×10¹⁵/cm²剂量的氮离子。

拉曼光谱
拉曼谱图显示379 cm^-1、417 cm^-1等特征峰，其中576 cm^-1处的E₂(H)模表明纤锌矿结构保持完整。氮注入引起431 cm^-1峰强度变化，反映局部晶格畸变和氮相关缺陷的形成。

结论
该研究证实氮离子注入可显著缩小AZO薄膜带隙，使吸收边和发光峰红移，并将透光窗口拓宽至近红外波段。第一性原理计算表明，氮注入在价带引入大量空穴，实现p型半导体转变。这种通过高能离子注入突破固溶极限的方法，为开发高性能p型透明电极提供了关键技术路径。

讨论
与传统电学性能导向的研究不同，该工作从光学调制角度系统揭示了氮掺杂AZO的新现象。通过精确控制氮的空间分布，实现了对材料介电函数实部和虚部的调控，这对设计新型光电器件（如透明电极和紫外探测器）具有重要指导意义。研究建立的"结构-性能"关联模型，为后续多元共掺杂体系研究提供了范式。