钼和铬掺杂调控WO3薄膜的结构与光学特性：面向气敏与电致变色应用的性能优化研究

本研究通过喷雾热解法在玻璃和ITO基底上制备Mo/Cr掺杂WO3薄膜，系统揭示了掺杂浓度对薄膜晶体结构（单斜相）、形貌（纳米孔/纳米棒）及光学带隙（2.44-2.85 eV）的调控规律。Mo掺杂提升结晶度与透光率（67%），Cr掺杂诱导各向异性生长与氧空位，为设计高性能气敏和电致变色器件提供材料基础。

　　

（以下为论文解读）

在智能传感与绿色能源技术快速发展的今天，金属氧化物半导体材料因其独特的物理化学性质成为研究热点。其中三氧化钨（WO₃）作为典型的宽禁带半导体（2.6-3.2 eV），在气体传感和电致变色领域展现出巨大潜力。然而，纯WO₃面临灵敏度低、选择性差等瓶颈问题，特别是在检测低浓度气体时表现不佳。如何通过元素掺杂调控其微观结构与性能，成为突破应用壁垒的关键科学问题。

来自罗马尼亚国家微技术研究与发展研究所（National Institute for Research and Development in Microtechnologies - IMT Bucharest）的Andreea-Gabriela-Marina Popescu团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，通过喷雾热解法制备钼（Mo）和铬（Cr）掺杂的WO₃薄膜，系统揭示了两种掺杂元素对材料结构-性能关系的差异化调控机制。研究采用掠入射X射线衍射（GIXRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱等技术，结合紫外-可见光谱分析，建立了掺杂浓度-形貌-光学特性的构效关系模型。

【材料与方法】

研究团队采用喷雾热解法在250°C基底温度下沉积薄膜，通过调控钼酸铵和硝酸铬前驱体体积（18-180 μL）实现0.1%-1%原子浓度掺杂。通过700°C退火处理优化结晶性，利用GIXRD分析晶体结构，FESEM/EDX表征形貌与元素分布，AFM量化表面粗糙度（R_a），拉曼光谱检测氧空位特征，UV-Vis测定带隙与透光率。

【结果与讨论】

3.1 形貌演化

SEM显示：纯WO₃形成50 nm致密颗粒（R_a=24.6 nm）；1.06 at.% Mo掺杂产生100-120 nm多孔结构（R_a↓18.0 nm），而2.49 at.% Cr掺杂诱导纳米棒/片状各向异性生长（R_a↑39.3 nm）。AFM证实Cr掺杂样品表面粗糙度（S_q=54.64 nm）是Mo掺杂样品的2.5倍。

3.2 晶体结构

GIXRD表明所有薄膜均为单斜相（ICDD 083-0951）。Mo掺杂（1.83 at.%）使晶粒尺寸保持~20 nm，而Cr掺杂（3.42 at.%）引起晶格应变，晶粒尺寸减小至~14 nm。拉曼光谱中W=O键伸缩振动峰（714 cm^-1）在Cr掺杂时红移5 cm^-1，证实更强的氧空位形成。

3.3 光学性能

Mo掺杂将带隙从2.85 eV窄化至2.69 eV，可见光透射率提升至67%；Cr掺杂虽使带隙降至2.44 eV，但透光率骤降至32%。EDX映射显示Mo/Cr在WO₃基质中均匀分布，实际掺杂浓度超设计值（Cr达3.42 at.%）。

【结论与意义】

该研究首次在相同制备条件下对比Mo/Cr掺杂对WO₃薄膜的差异化影响：Mo优化结晶度与透光性，适合电致变色器件；Cr通过氧空位和纳米结构增强表面活性，更适用于气敏传感。特别是中等掺杂浓度（90 μL前驱体）在两种体系中均展现出最佳性能平衡，为面向应用的薄膜设计提供明确指导。喷雾热解法的规模化优势，使得该成果在工业级气敏传感器和智能窗开发中具有重要转化价值。