《Surfaces and Interfaces》：Revealing the Magnetron Sputtering of GeSe Thin Films: From Discharge Characteristics to Thin Film Properties
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GeSe薄膜通过磁控溅射工艺的参数优化及COMSOL多物理场耦合模型研究。摘要：采用COMSOL建立磁控溅射（MS）多物理场耦合模型，系统研究溅射功率、工作压力和靶材-基板距离对GeSe薄膜沉积特性的影响，揭示放电特性与薄膜致密性、光学吸收的关系，为工艺优化提供理论指导。
张文毅|吴海峰|陈家业|于凤娇|徐荣吉|李梦杰|沈青|王瑞祥
北京建筑大学建筑能源高效综合利用工程技术研究中心，中国北京100044
摘要
硒化锗（GeSe）作为一种新型二维半导体材料，展现了优异的光电性能，在薄膜太阳能电池和光电化学水分解应用中具有巨大潜力。磁控溅射（MS）由于其均匀的沉积效果、可调参数和可扩展性，被广泛用于功能性薄膜的制备，但其复杂的放电机制难以仅通过实验来阐明。为了解决这一问题，基于COMSOL建立了一个多物理场耦合模型，系统研究了溅射功率、工作压力和靶材-基底距离对电子密度、氩离子密度和电子温度的影响。通过比较不同功率下沉积的GeSe薄膜的光学吸收和表面形貌，揭示了放电特性与薄膜性能之间的关系。对于压力和距离的变化，通过模拟分析了它们对放电行为的影响趋势。结果表明，较高的溅射功率显著提高了粒子密度和电子温度，增强了薄膜的致密性；增加压力会提高电子密度，但由于碰撞加剧而降低电子能量；缩短靶材-基底距离会增加离子密度，但过度缩短可能会引入空间电荷效应。该模型为理解磁控溅射放电机制和优化GeSe薄膜制备提供了理论指导。
引言
随着全球对可持续能源需求的增长，太阳能已成为一种关键的清洁能源，推动了高效稳定太阳能电池技术的发展。尽管钙钛矿[1]和染料敏化[2]太阳能电池在效率和成本降低方面取得了显著进步，但长期稳定性[3]和封装复杂性[4]等问题仍然是其大规模商业化的主要障碍。因此，发现新型光伏材料和先进制备技术以提升性能同时降低成本已成为当前太阳能电池研究的重点。
硒化锗（GeSe）是一种具有优异光电性能的二维半导体材料，由于其合适的带隙（1.14 eV）、高光吸收系数（>10^5 cm^-1）[5]、高载流子迁移率（约128.7 cm^2 V^-1 s^-1）[6]、良好的晶格缺陷容忍度[7]、地球丰富且环境友好的成分[9]，被认为是理想的光吸收层候选材料。GeSe通常呈现p型导电性，这主要归因于内在缺陷如锗空位或硒反位。在器件中，它可以作为p型吸收层与n型半导体（例如CdS、TiO2）形成p-n异质结，实现超过30%的理论功率转换效率[10]，因此在薄膜太阳能电池中具有巨大潜力。目前，GeSe薄膜主要通过气相传输方法制备——如快速升华[11]或真空热蒸发[12]——利用其低升华温度和高蒸气压。然而，这些方法在大面积均匀沉积方面存在局限性，阻碍了工业化应用[13]，而溅射法具有高沉积速率、优异的薄膜均匀性和工艺可扩展性等优点[14]。与升华法相比，溅射产生的粒子具有更高的动能，有助于改善界面附着力和更致密的薄膜形态——这两点对器件性能和可靠性至关重要[15]。
最近的研究证明了使用磁控溅射（MS）制备纯相、结晶GeSe薄膜的可行性。例如，陈等人[16]通过MS在室温下制备了GeSe薄膜，并在FTO/CdS/GeSe/C-Ag太阳能电池结构中经过后退火处理后获得了0.05%的功率转换效率。尽管效率仍然较低，但这项工作展示了MS在GeSe薄膜大规模制备方面的潜力。尽管取得了这些进展，MS参数的优化仍主要依赖于经验方法，导致操作依赖性强、开发周期长和成本增加[17]。此外，溅射过程中复杂的放电行为使得通过实验直接测量关键参数变得困难。为了解决这些挑战，数值模拟已成为理解MS机制和建立工艺条件与薄膜性能之间关联的不可或缺的工具。
基于此，本研究使用COMSOL Multiphysics平台建立了MS过程的多物理场耦合模型。首先，通过实验数据验证了模型的可靠性。随后，比较分析了不同溅射功率对MS腔内粒子分布和温度分布的影响，以及它们对最终薄膜性能的影响。进一步研究了在不同工作压力和靶材-基底距离下的粒子及温度分布。通过模拟，可以揭示MS的内在过程，从而加深对MS过程的理解，有效降低成本并缩短开发周期。这种方法为MS过程的快速优化提供了理论支持。
部分摘录
沉积
本实验使用JCP-200高真空磁控溅射镀膜机在室温下制备了GeSe薄膜，如图1(a)所示。所用GeSe靶材由北京JMRT材料技术有限公司提供，直径为50毫米，厚度为3毫米，纯度为99.99%。溅射前，使用切割机将FTO导电玻璃切割成25毫米×25毫米×2.2毫米的小块。
放电特性
薄膜沉积速率主要由靶材溅射决定，这与放电浓度和磁场分布密切相关[24]。当磁场保持不变时，改变溅射功率会改变电子和氩离子的密度。如图2(b)、(c)、(e)和(f)所示，靠近靶材的强电场和磁场会导致局部高电子密度区域，增强气体电离并增加正离子的数量
结论
本研究结合COMSOL Multiphysics模拟和实验验证，系统研究了各种工艺参数对放电特性和GeSe薄膜性能的影响。主要结果如下：
(1)随着溅射功率的增加，电子密度、氩离子密度和电子温度均升高，从而提高了溅射效率和沉积速率。然而，较高的功率也会导致沉积粒子尺寸变小，这可能会
作者贡献声明
张文毅：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原稿撰写，验证，监督，形式分析，数据管理。吴海峰：撰写 - 审稿与编辑，验证，监督，方法论，研究，数据管理，概念构思。陈家业：撰写 - 审稿与编辑，验证，监督。于凤娇：撰写 - 审稿与编辑，验证，监督。徐荣吉：撰写 - 审稿与编辑，验证，监督。李梦杰：撰写 - 审稿与编辑，验证，
作者贡献声明
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利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52306220）、北京市自然科学基金（3252025）和北京市教委研发计划（KM202310016009）的支持。
