通过脉冲激光沉积法制备的CuBr薄膜的表面稳定性

《Applied Surface Science》：Surface stability of CuBr thin films deposited by pulsed laser deposition

CuBr薄膜通过脉冲激光沉积（PLD）制备，研究基底温度与Ar压力对薄膜结构及表面稳定性的影响。发现高温或高Ar压力导致CuBr相分解，形成次生Cu相及表面Cu?O污染。XPS和光学光谱证实表面存在Cu?O及Cu，氧缺陷的活化能经TSD和TSEE分析为0.97eV，表明氧化分解与OH自由基脱附相关。最佳条件为低温（50-100℃）与低Ar压力（0.5-1Pa），可抑制表面粗糙和相分离，保持高透光率（60-70%）及直接带隙（2.92eV）。

　　本文主要探讨了通过脉冲激光沉积（PLD）技术制备的铜溴化物（CuBr）薄膜在不同生长条件下（包括基底温度和氩气（Ar）压力）的表面稳定性问题。研究发现，CuBr作为一种具有潜在应用价值的p型透明导电材料，其性能受到表面氧化和污染的影响，特别是在高温沉积过程中容易出现次级铜相的形成。此外，Ar压力的增加会导致薄膜表面粗糙度上升，并产生颗粒物，这可能影响其在光学和电子器件中的应用前景。通过X射线光电子能谱（XPS）、光学透射光谱、热激发脱附（TSD）和热激发外发射（TSEE）等分析手段，研究人员揭示了CuBr薄膜表面存在的氧化物（如Cu?O）和铜相，以及这些缺陷对薄膜性能的潜在影响。

在PLD技术中，基底温度和Ar压力是决定薄膜质量的关键因素。实验结果表明，当基底温度较低时，薄膜内部仍能形成次级铜相，这可能与沉积过程中粒子的高能量有关。在基底温度较低的情况下，薄膜表现出良好的结晶性，但随着温度升高，特别是在超过275°C时，CuBr的稳定性受到挑战，表面出现氧化和分解现象，导致材料性能的下降。同时，Ar压力的增加不仅影响了薄膜的表面形貌，还可能改变了薄膜的晶体结构，使得其表现出不同的光学和电学特性。

从光学透射光谱的角度来看，CuBr薄膜在可见光范围内表现出较高的透明度，但其表面氧化会导致额外的吸收峰，特别是2 eV附近的吸收峰，这可能与Cu?O的形成有关。XPS分析进一步证实了这一现象，显示薄膜表面存在大量的氧化物和碳污染。通过XPS的拟合分析，研究团队确定了薄膜中不同成分的相对比例，并发现氧化物的存在对薄膜的整体性能产生了显著影响。此外，研究还指出，薄膜中的氧杂质作为有效的受主，可以提高载流子浓度和迁移率，但同时也带来了表面不稳定性的问题。

为了更深入地研究CuBr薄膜的表面稳定性，研究团队采用了TSD和TSEE技术。这些技术能够揭示薄膜在热刺激下的脱附行为和电子发射特性。TSEE曲线的形状和位置反映了薄膜中缺陷能级的存在，而这些能级可能与氧和水分子的吸附有关。TSD测量则进一步表明，薄膜在UV照射和加热过程中释放的原子和分子主要来源于表面的氧和氢氧化物。研究还发现，Cu和Br原子的脱附温度相近，这表明它们的释放可能受到相似的热力学条件影响。同时，研究团队通过分析这些数据，计算出了与表面缺陷相关的激活能，约为0.97 eV，这进一步支持了薄膜中存在氧相关缺陷的观点。

研究还提到，通过优化生长条件，可以有效提高CuBr薄膜的结构稳定性和表面质量。例如，在较低的Ar压力和基底温度下，薄膜的表面更加均匀，且次级相的形成受到抑制。然而，这种优化并不能完全消除氧化问题，因为薄膜表面在空气中容易受到污染。因此，研究团队建议在沉积过程中采取更严格的环境控制措施，以减少表面氧化和污染对薄膜性能的影响。

此外，研究团队还强调了PLD技术在制备高质量CuX薄膜方面的优势。与其他沉积方法相比，PLD能够提供更精确的材料控制，从而获得具有高纯度和定制化特性的薄膜。然而，目前的研究仍然指出，对于CuBr这类材料，其表面氧化和污染问题仍然是一个重要的挑战。因此，未来的实验和工程应用需要进一步探索如何在不破坏薄膜结构的前提下，提高其抗氧化能力。

为了更全面地理解这些现象，研究团队还进行了多方面的分析，包括XPS和TSD的结合使用，以及通过XRD和SEM技术对薄膜结构和形貌的表征。这些技术的综合应用不仅有助于揭示CuBr薄膜的微观结构变化，还能为优化沉积参数提供依据。例如，通过XRD分析，研究团队发现CuBr薄膜在不同生长条件下表现出不同的晶体结构，这可能与沉积过程中的热力学条件和粒子能量有关。而SEM图像则直观地展示了薄膜表面的形貌变化，尤其是在高温和高Ar压力下，表面粗糙度和颗粒物的出现显著增加了。

研究还指出，CuBr薄膜的表面氧化不仅影响其光学性能，还可能对电子性能产生不利影响。表面氧化会导致载流子的减少，从而降低薄膜的导电性。这与实验中观察到的低透射率和广谱吸收现象相吻合。此外，表面氧化可能引发薄膜的结构不稳定，使其在高温下发生分解，这进一步限制了其在高温环境下的应用。

为了应对这些问题，研究团队提出了一些可能的解决方案。例如，通过控制沉积过程中的温度和压力，可以减少次级相的形成和表面氧化的程度。此外，通过在沉积后对薄膜进行表面处理，如氩离子溅射或化学清洗，可以有效去除表面的氧化物和污染物。然而，这些方法可能会对薄膜的结构和性能产生一定的影响，因此需要在优化表面稳定性的同时，确保薄膜的其他性能不受损害。

总的来说，本文的研究为CuBr薄膜的制备和性能优化提供了重要的理论和实验依据。通过分析不同生长条件对薄膜表面稳定性的影响，研究团队揭示了CuBr薄膜在实际应用中可能面临的挑战，并提出了相应的改进措施。这些研究结果不仅有助于推动CuBr在透明导电材料领域的应用，也为其他类似材料的制备和性能研究提供了参考。未来的研究需要进一步探索如何在实际生产过程中保持薄膜的高纯度和稳定性，同时提高其在高温和高湿环境下的适用性。