采用雾化喷雾热解技术调控SnS:Ga薄膜结构与光学性能以提升光电探测器响应

《Materials Research Bulletin》：Structural and Optical Tuning of SnS: Ga Thin Films for Improved Photodetector Response Using Nebulizer Spray Pyrolysis

本综述系统总结了采用雾化喷雾热解（NSP）技术制备镓掺杂SnS（SnS:Ga）薄膜的研究进展，重点分析了不同Ga掺杂浓度（0%-3%）对薄膜晶体结构、形貌特征、光学性能及其光电探测器应用的调控作用。研究表明2% Ga掺杂样品在结晶度、光吸收能力和光电性能（EQE达68%，探测率2.93×108 Jones）方面表现最优，为新型光电探测器开发提供了重要参考。

　　

^制备方法

采用NSP技术制备了不同Ga掺杂浓度（0、1、2和3 wt%）的SnS薄膜。以分析纯二水合氯化亚锡（SnCl₂·2H₂O）和硫脲（SC(NH₂)₂）分别作为锡源和硫源，硝酸镓（Ga(NO₃)₃·xH₂O）作为掺杂前体。将计算量的前体溶于去离子水形成均匀水溶液，采用混合溶剂体系溶解不同浓度的Ga掺杂剂（0-3 wt%），最终溶液浓度控制在0.1M。将洁净玻璃基板置于加热板上保持350°C基底温度，使用雾化器以3mL/min流速将前体溶液喷涂到基板上，持续30分钟获得均匀薄膜，最后将样品在300°C退火1小时以改善结晶性。

^{晶体结构研究}

图1展示了原始和不同Ga浓度（1、2和3 wt%）掺杂SnS（SnS:Ga）薄膜的X射线衍射（XRD）图谱。所有样品的衍射峰位与SnS立方晶系结构标准卡片（JCPDS No. 89-3198）完全一致，主要衍射峰包括（211）、（300）、（222）、（400）、（410）、（411）、（421）、（510）、（440）、（532）、（540）、（622）、（444）、（722）和（800）晶面。其中（222）和（400）晶面显示出最强衍射强度，表明晶体沿此方向择优生长。值得注意的是，所有样品均保持单一立方相结构，未出现Ga相关杂相，说明Ga成功掺入SnS晶格。随着Ga浓度增加，（222）峰强度先增强后减弱，2%掺杂样品显示出最佳结晶度和最大晶粒尺寸。根据Scherrer公式计算，2% SnS:Ga薄膜的晶粒尺寸达到48nm，明显大于未掺杂样品（35nm），表明适量Ga掺杂能促进晶体生长。然而当Ga浓度增至3%时，由于晶格应力增加导致结晶质量下降。

^结论

本研究采用NSP技术成功制备了Ga掺杂浓度0-3 wt%的SnS薄膜。优化后的沉积参数使得薄膜形成均匀且附着力良好，系统改变Ga含量显著调控了薄膜的结构、光学和光电探测性能。XRD分析证实2% Ga掺杂时薄膜结晶度和相稳定性最佳，而过量掺杂（3%）会导致晶体质量下降。光学性能测试表明2% Ga掺杂样品出现吸收边红移现象，带隙值降至1.65eV，同时光致发光（PL）光谱显示该样品缺陷发光峰最强。光电探测器性能测试中，2% SnS:Ga薄膜展现出最优异的综合性能：外量子效率（EQE）68%，探测率2.93×10⁸ Jones，响应度2.1×10^-2 A/W。瞬态光响应测试进一步验证其具有最快响应/恢复时间（4.8秒/6.1秒）。这些发现表明2% Ga掺杂立方相SnS薄膜在下一代光电探测器领域具有重要应用前景。