基于SILAR技术实现ZnS超薄连续层(<10 nm)的精准单层控制沉积及其在纳米电子学中的应用

研究人员针对传统SILAR(连续离子层吸附反应)技术难以实现单层精度沉积的问题，通过优化冲洗工艺，成功在低温条件下制备出厚度<10 nm的连续ZnS超薄膜。该研究证实严格遵循原始SILAR方案可实现单层级控制，为大面积、低成本制备纳米电子器件关键材料提供新方案。

　　

在电子元件持续微型化的浪潮中，制备超薄且均匀的半导体薄膜成为关键技术瓶颈。传统方法如化学浴沉积(CBD)难以突破临界核尺寸限制，而原子层沉积(ALD)虽能实现原子级精度却依赖昂贵真空设备。正是在这样的背景下，乌克兰国家科学院半导体物理研究所(V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of NAS of Ukraine)的Eugene Bortchagovsky团队在《Thin Solid Films》发表重要研究，通过革新连续离子层吸附反应(SILAR)技术，成功实现了硫化锌(ZnS)超薄膜的精准单层控制沉积。

研究团队采用改进的SILAR工艺，关键突破在于开发了包含流动水冲洗(0.5 L/min, 65°C)和超声活化(3分钟)的组合清洗方案。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)和光谱椭偏仪等多维度表征技术，系统分析了10周期和30周期沉积样品的结构特性。

3.1 X射线衍射
θ-2θ模式测试显示所有样品均呈现立方相ZnS(111)特征峰，Scherrer公式计算晶粒尺寸为3.5±0.5 nm。值得注意的是，30周期沉积样品的衍射强度显著高于10周期样品，证实沉积厚度与循环次数呈正相关。

3.2 拉曼光谱
325 nm激发光测试观察到348 cm^-1的纵向光学(LO)声子峰和694 cm^-1的二阶谐波。30周期样品展现出完整的声子复制峰系，而10周期样品因厚度较薄出现基底信号干扰。声子峰展宽分析表明退火处理可改善材料结晶质量。

3.3 X射线光电子能谱
Auger参数α'=2011.2±0.2 eV确证Zn²⁺化学态。元素定量分析显示Zn/S原子比接近化学计量比(52/48)，但检测到Cl和Na等工艺残留杂质。30周期样品完全屏蔽基底Mo信号，证明形成连续致密薄膜。

3.4 光谱椭偏仪
通过B样条拟合获得光学常数，发现1.5 eV以下异常吸收增强，归因于工艺引入的掺杂效应。Tauc图分析显示30周期样品带隙为3.45 eV，接近立方ZnS体材料值(3.54 eV)。厚度测算显示单周期沉积厚度约0.25-0.3 nm，与ZnS单分子层尺寸高度吻合。

这项研究的重要意义在于确立了冲洗工艺对SILAR技术的决定性作用：通过破坏并彻底移除毛细管层，有效抑制了CBD式体相成核生长模式。实验证实每沉积循环可精确控制0.25 nm的ZnS单分子层生长，厚度偏差仅±1.9 nm。该技术突破使得SILAR能够替代ALD实现大面积基底的原子级精度沉积，为光伏器件缓冲层、紫外传感器等应用提供了低成本解决方案。尤其值得注意的是，该方法对粗糙表面具有优异覆盖性，原子力显微镜(AFM)显示沉积后基底粗糙度保持不变，展现了在三维器件集成中的独特优势。