退火处理增强共溅射ZnO:Cu薄膜的可见光光电探测性能

本研究通过直流磁控共溅射技术制备不同Cu功率(15W/20W)掺杂的ZnO薄膜，结合退火处理系统研究了Cu掺杂对薄膜结构、光学及电学性能的影响。研究发现：退火处理显著提高了(002)晶面取向的结晶度，使带隙能量窄化至2.94 eV；20W Cu掺杂结合退火处理的样品展现出2倍光敏度和3倍响应度提升，其优化的晶体结构、降低的缺陷密度和减小的肖特基势垒高度共同促进了可见光探测性能的突破。

　　

亮点

铜掺杂氧化锌(CZO)薄膜通过直流(DC)磁控共溅射技术实现可见光探测性能突破，20W Cu功率结合600°C退火处理的样品展现出：

• 结晶度提升：X射线衍射(XRD)显示(002)晶面取向增强，晶粒尺寸增大

• 光学优化：傅里叶变换红外光谱(FT-IR)证实Zn-O键振动增强，带隙窄化至2.94 eV

• 电学增强：电流-电压(I-V)测试表明光敏度提升2倍，响应度提高3倍

结构分析

XRD图谱揭示退火处理使CZO薄膜衍射峰强度显著增加，20W Cu掺杂样品在(002)晶面出现34.54°的特征峰，晶粒尺寸从24.5 nm增大至31.2 nm。扫描电镜(SEM)显示表面形貌从棒状结构转变为精细球状颗粒，能量色散谱(EDS)证实Cu成功掺入ZnO晶格。

光学特性

紫外-可见光谱显示Cu掺杂使吸收边红移，Tauc公式计算带隙从3.28 eV降至2.94 eV。光致发光(PL)谱中近带边发射增强，450-650 nm缺陷发光减弱，表明退火处理有效降低了氧空位等缺陷密度。

电学性能

暗电流从10^-6 A降至10^-8 A量级，可见光照射下20W-CZO样品光电流提升两个数量级。肖特基势垒高度降低0.12 eV，载流子迁移率提高至18.7 cm²/Vs，证实Cu掺杂优化了电荷传输机制。

结论

20W Cu掺杂结合氧气氛退火的CZO薄膜展现出最佳可见光探测性能，其协同优化机制包括：晶格畸变缓解、缺陷态密度降低、带隙窄化效应以及界面势垒调控，为新一代光电器件开发提供了材料基础。