AOM 南开大学杨扬，孙甲明：精确调控组分比例实现掺铒钙钛矿MgGeO3纳米薄膜的高效电致发光。
研究背景：
开发实用的硅基光源一直是光子学研究的核心目标，对硅平台上的光电集成至关重要。其中，铒离子（Er3+）的特征发射位于1.53 μm，正对应光纤通信的低损耗窗口，且Er掺杂氧化物工艺与主流CMOS兼容，被视为最具潜力的路线之一。但长期以来，这类氧化物基质中实现铒相关的电致发光仍面临巨大挑战，主要限制因素在于载流子传导受阻，导致高能电子对Er3+的碰撞激发效率偏低。如何在硅基上找到一个既能兼顾电传导、又能使Er3+高效激发的基质，是领域内的核心问题。
文章概述：：
南开大学材料科学与工程学院杨扬、孙甲明课题组联合浙江大学硅材料及先进半导体材料国家重点实验室，依托此前在原子层沉积（ALD）制备硅基钙钛矿MgGeO3与橄榄石Mg2GeO4纳米薄膜的工作基础，进一步系统探索了这两类基质掺Er的电致发光性能。研究发现，Er3+优先占据八面体格位，会推高晶格中八面体/四面体比例，从而诱导橄榄石Mg2GeO4相形成；而钙钛矿MgGeO3无论载流子注入还是Er3+激发效率都显著优于橄榄石相。最终，非晶MgGeO3:Er纳米薄膜器件的外量子效率（EQE）达20.9%，功率密度7.88 mW·cm-2，可稳定工作2.43×104 s，达到目前硅基Er掺杂氧化物电致发光器件的顶尖水平。相关工作发表在Advanced Optical Materials。
图文导读：
图1.（a）A系列样品在不同退火温度下的薄膜厚度变化；（b）700 ℃退火样品对应的Mg/Ge比（由ICP-OES测得）；（c）不同退火温度下A2样品的XRD图谱；（d）900 ℃退火的A系列样品，使用不同Er2O3掺杂周期的XRD图谱
图2.（a）Er替代MgGeO3晶格（来源：ICSD#35533）中（a,b）MgO6八面体内两种不同Mg格位以及（c,d）GeO4四面体内两种不同Ge格位时形成能（Ef）的DFT计算结果；其中晶体结构中Mg原子为橙色、Ge原子为紫色、Er原子为深绿色、O原子为红色；（e）不同替代位点形成能（Ef）的对比汇总；（f）900 ℃退火A1与A4纳米薄膜的Mg 1s XPS谱对比；（g）900 ℃退火A1与A4纳米薄膜的Ge 3d XPS谱对比
图3.对于700 ℃退火的MgGeO3:Er器件（设计MgO/GeO2 = 1.67，5个MgO周期）：（a）A1与A4器件的归一化EL光谱；采用不同Er2O3掺杂周期时1530 nm电致发光性能的对比，包括（b）EL-V-I特性、（c）效率-电流（Efficiency-I）关系以及（d）衰减曲线；（e）在10 μA电流下记录的器件工作时间对比
图4.对于在700℃退火的B系列器件：（a）由ICP-OES测得的Mg/Ge比值变化；（b）器件的EL-I-V曲线对比；（c）效率-电流（Efficiency-I）曲线对比
结论：
本研究证实采用ALD技术在硅上制备的钙钛矿型MgGeO3纳米薄膜是优于橄榄石型Mg2GeO4的Er3+离子电致发光基质。掺杂的Er3+离子优先取代八面体位点，提升纳米叠层的Mg/Ge比，促进橄榄石型Mg2GeO4相形成。钙钛矿型MgGeO3中Er3+离子的载流子传导能力与激发效率均高于橄榄石型Mg2GeO4。钙钛矿型MgGeO3:Er纳米叠层MOSLED在1.53 μm的电致发光EQE高达20.9%，功率效率达0.42%，功率密度为7.88 mW·cm-2。采用非晶态MgGeO3:Er纳米薄膜的原型器件在连续电流注入下可稳定工作长达2.43×104秒。本研究通过对铒掺杂镁锗酸盐氧化物的组分与结构定制调控，证明了该类纳米薄膜在硅基光电子应用中的发展潜力。
论文信息：
Precisely Control the Component Ratio to Achieve Highly-Efficient Electroluminescence from Er-Doped Perovskite MgGeO3 Nanofilms
Zejun Ye, Haobo Yuan, Tong Zhao, Xinxin Luan, Yang Yang*, and Jiaming Sun*
Advanced Optical Materials
DOI:10.1002/adom.71402
原文链接：https://doi.org/10.1002/adom.71402
期刊介绍
Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的期刊，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。
来源：Advanced Optical Materials
