纳米厚度碲化镉薄膜的结构、光学及基于原子力显微镜功率谱密度分析的表面粗糙度研究及其在光电器件中的应用

本研究针对纳米厚度碲化镉(CdTe)薄膜在光电器件应用中厚度优化问题，通过系统研究80–120 nm厚度变化对结构、光学和形貌特性的影响，结合X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、紫外-可见光谱及原子力显微镜功率谱密度(PSD)与分形分析，发现100 nm厚度薄膜具有最佳结晶质量、表面均匀性和光学性能，为高效薄膜太阳能电池等光电器件提供了关键材料优化策略。

　　

随着全球能源转型的迫切需求，薄膜太阳能电池因其成本低、柔性好等优势成为研究热点。其中，碲化镉(CdTe)作为一种II-VI族化合物半导体，具有高吸收系数、理想带隙(约1.5 eV)和高稳定性，被公认为最具前景的光伏材料之一。然而，薄膜厚度作为影响器件性能的关键参数，其纳米尺度的变化会显著改变材料的结构、光学和表面形貌特性，进而影响光吸收、载流子传输和界面复合等过程。传统研究多关注微米级厚度薄膜，对纳米厚度范围内(如80-120 nm) CdTe薄膜的系统研究尚不充分，特别是缺乏基于原子力显微镜(AFM)功率谱密度(PSD)和分形分析的表面形貌量化表征，这限制了其在高效薄层光电器件中的应用。

为解决这一问题，来自德里大学Zakir Husain德里学院的Neelam Pahwa和Arvind R. Singh研究团队在《Results in Surfaces and Interfaces》上发表论文，通过热蒸发沉积技术制备了不同厚度(80 nm、100 nm和120 nm)的CdTe薄膜，并综合运用X射线衍射(XRD)、显微拉曼光谱、紫外-可见(UV-Vis)光谱和原子力显微镜(AFM)等多种表征手段，系统研究了厚度变化对薄膜结构、光学性能和表面形貌的影响，特别引入了AFM-based PSD和分形分析来量化表面粗糙度，以确定最优薄膜厚度用于器件应用。

研究人员采用的主要技术方法包括：使用高真空热蒸发系统在石英基底上沉积CdTe薄膜，通过石英晶体膜厚仪实时监控厚度；利用X射线衍射仪分析晶体结构和晶粒尺寸；采用显微拉曼光谱仪研究声子模式和应力效应；通过紫外-可见光谱仪测量光学透射率和计算带隙；使用原子力显微镜获取表面形貌图像，并基于WSxM和Origin软件进行PSD模型拟合和分形维数计算。

3.1. X射线衍射(XRD)研究

XRD结果显示所有薄膜均呈现立方相结构，主要衍射峰对应(111)和(311)晶面。随着厚度从80 nm增加至120 nm，衍射峰强度降低并向小角度移动，表明晶粒尺寸增大和应变减少。Scherrer公式计算表明晶粒尺寸从16.6 ?(80 nm)增至20.1 ?(120 nm)，而应变从2.1846降至1.8011，证实较厚薄膜具有更好的结晶性和更低的缺陷密度。

3.2. 显微拉曼研究

拉曼光谱显示所有薄膜在171 cm^-1和340 cm^-1附近出现CdTe的特征LO声子峰和其倍频峰。随着厚度增加，拉曼峰发生蓝移且强度增强，100 nm薄膜蓝移最显著，表明其晶粒尺寸较小、应力较高，表面均匀性更好，有利于光学吸收。

3.3. 紫外-可见光谱研究

透射光谱显示所有薄膜在可见光区具有明显的干涉条纹，表明薄膜质量较高。通过Tauc图计算带隙发现，随着厚度增加，带隙从1.42 eV(80 nm)增至1.51 eV(120 nm)，其中100 nm薄膜带隙为1.44 eV，接近理想值1.45 eV，适合光伏应用。带隙变化归因于量子限制效应和缺陷态重组。

3.4. 原子力显微镜(AFM)研究

3.4.1. AFM高度图像表面形貌

AFM图像显示，随着厚度增加，晶粒尺寸从47 nm(80 nm)增至97 nm(120 nm)，表面粗糙度参数如RMS粗糙度(R_q)从0.70 nm增至2.43 nm，平均高度从1.44 nm增至5.01 nm。100 nm薄膜具有适中的粗糙度(1.18 nm)和均匀晶粒分布(80 nm)，表面最平滑。

3.4.2. 基于AFM的功率谱密度分析

PSD曲线采用ABC模型(又称k相关模型)拟合，参数A(与峰谷值相关)随厚度增加而增大，而参数C(与生长机制相关)值接近3，表明薄膜生长受冷凝、蒸发和体扩散混合机制控制。100 nm薄膜的PSD在高频区呈线性，表明其表面具有更好的分形特征和均匀性。

3.4.3. 分形分析

通过PSD曲线斜率计算分形维数(D_f)，80 nm、100 nm和120 nm薄膜的D_f分别为1.85、1.90和1.54。100 nm薄膜分形维数最高，表明其表面复杂度适中，有利于电荷传输和器件集成。

研究结论表明，纳米厚度变化显著影响CdTe薄膜的性能：较薄薄膜(80 nm)晶粒小、应变高，带隙较低但表面粗糙度低；较厚薄膜(120 nm)晶粒大、结晶性好但表面粗糙度高；100 nm厚度薄膜在结晶性、带隙(1.44 eV)、表面粗糙度(1.18 nm)和分形特征之间达到最佳平衡，最适合作为光电器件(如太阳能电池、传感器和开关器件)的吸收层材料。此外，本研究首次将PSD和分形分析应用于纳米厚度CdTe薄膜的系统研究，为薄膜表面形貌的量化评估提供了新方法，对优化薄膜沉积工艺和提升器件性能具有重要指导意义。局限性包括未使用Williamson-Hall分析分离应变与晶粒尺寸效应、未进行器件级测试等，未来研究需结合重复实验、化学计量学分析和实际器件验证以进一步推进应用。