基于 ＧＺＯ 薄膜热稳定性研究的物理教学实验设计与实践———从材料制备到系统优化的跨学科能力培养

doi:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.06.009

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摘要以镓掺杂氧化锌（ＧＺＯ）薄膜为研究对象，通过脉冲激光沉积（ＰＬＤ）技术结合梯度热处理工艺，系统探究了３００～７００ ℃空气退火对薄膜结构、电学及光学性能的调控机制，构建了“工艺?结构?性能”关联的探究式教学模型。实验表明，６００ ℃热处理可优化晶粒尺寸（２６．２ｎｍ）与结晶质量（（００２）峰半高宽０．３４°），实现载流子浓度（７．１３×１０１９ｃｍ－３）与迁移率（６５．３ｃｍ２／Ｖ·ｓ）的协同提升，电阻率低至１．３４×１０－３Ω·ｃｍ，可见光透光率＞９０％。而７００ ℃热处理因晶格失配引发表面裂纹与锌空位（ＶＺｎ）缺陷增加，导致电学性能衰退，揭示了ＧＺＯ薄膜的热稳定性阈值。通过多尺度表征（ＳＥＭ、ＸＲＤ、ＰＬ）与物理方程（霍尔效应、Ｂｕｒｓｔｅｉｎ?Ｍｏｓｓ效应）的联动分析，学生可建立“微观缺陷?输运参数?宏观性能”的系统认知框架，掌握材料制备工艺优化与性能失效机制的关联分析方法。融合材料工程与半导体物理知识，通过“问题导向?数据驱动?模型构建”的教学路径，培养学生跨学科实验设计能力、批判性思维与工程决策素养，为新型透明导电材料的研发与教学实践提供创新范式。

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关键词: ＧＺＯＰＬＤ热稳定性跨学科实验

Abstract: This experiment takes gallium-doped zine oxide (GZ0) thin films as the research objeet. Bycombining pulsed laser deposition (PL,D) technology with gradient annealing processes,it svstematicallvinvestigates the regulation mechanisms of air annealing at 30)-700IC on the struectural,electrical,and opticalproperties of the films, constructing an inquiry-based leaching model focuased on the " process-structure-property" correlation,Experimental results show that 600 C annealing optimizes grain size (26.2 nm) andcrystallinity (002) peak full width at half maximum (F'WHM) of O.34o],achieving synergistic enhancementof carrier concentration (7.13x 10l'" cm-?) and mobility (65.3 cm2/V.s),with resistivity as low as 1.34x 10-3I . cm and visible light transmittance excceding 90%o,In contrast,700 C annealing induces surface cracks andproliferation of zine vacaney (VZn) defects due to lattice mismatch,leading to degradation of electricalperformance and revealing the theral stability threshold of GZ0 thin films. Through combined analysis ofmulti-scale characterization (SEM, XRD, PL) and physical equations Hall effect, Burstein-Moss effect).students can establish a svstematic cognitive framework of " microscopic defects-transport parameters-macroscopic properties,"mastering methods for correlating material preparation process optimization withperformance failure mechanisms,Integrating materials engineering and semiconductor physics knowledge,thisexperiment adopts a "problem-oriented,data-driven,mode]-building" teaching approach to culivate students'intendisciplinary esperimental desigm capabilities,critical thinking,and engineering decision-making literacy.providing an imnovative paradigm for the researeh and teaching practice of new transparent conductivematerials.

Key words: GZO PLD Thermal Stability Interdisciplinary Experiment

出版日期: 2025-12-25 发布日期: 2025-12-25 整期出版日期: 2025-12-25

ZTFLH:
	Ｏ４８４

基金资助: 物理学科研究生创新人才培养与科研国际合作关系研究（ＪＪＫＨ２０２４０１７４ＹＪＧ）

引用本文:

李　鹏, 李海洋, 白素仁 . 基于ＧＺＯ薄膜热稳定性研究的物理教学实验设计与实践———从材料制备到系统优化的跨学科能力培养[J]. 大学物理实验, 2025, 38(6): 45-50.
LI Penga, b, LI Haiyanga, BAI Suren. Design and Practice of A Physics Teaching Experiment basedon the Thermal Stability Study of GZO Thin Films:From Material Preparation to System Optimization for Interdisciplinary Ahility Cultivation. Physical Experiment of College, 2025, 38(6): 45-50.

链接本文:

https://dawushiyan.jlict.edu.cn/CN/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.06.009 或 https://dawushiyan.jlict.edu.cn/CN/Y2025/V38/I6/45

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