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为解决金属硫族化物（II-VI）在光电器件应用中优化沉积参数的问题，研究人员开展了不同衬底温度（300 - 600°C）对射频溅射（RF sputtering）ZnTe 薄膜物性影响的研究。结果表明，600°C 时薄膜性能优异，可用于太阳能电池缓冲层。
在能源需求日益增长的当下，化石燃料的大量使用引发了严重的环境污染问题。太阳能作为一种清洁、可持续的能源，受到了广泛关注。在太阳能利用领域，太阳能电池是实现光能转化为电能的关键设备。目前，常用的硅基太阳能电池虽应用广泛，但因其对材料纯度要求极高，导致生产成本居高不下。而金属硫族化物（II-VI）基太阳能电池，凭借其低成本和可与硅基技术媲美的效率，有望成为硅基技术的有力替代者。
锌碲化物（ZnTe）作为一种重要的二元 II-VI 半导体，具有直接带隙（2.26eV），处于电磁光谱的可见光范围，在光电器件领域有着广泛的应用前景，如用于制造发光二极管、显示设备、红外探测器等。在太阳能电池应用中，ZnTe 可作为缓冲层用于 CdTe 基太阳能电池的背接触，其较小的价带偏移有利于载流子传输；此外，n 型 ZnTe 薄膜还可替代 CdS 用于窗口层。然而，ZnTe 薄膜的高电阻特性在一定程度上限制了其应用，其电阻率受薄膜结构、晶界缺陷和表面形貌等多种因素影响。
此前，已有众多研究致力于探究不同因素对 ZnTe 薄膜性能的影响，但关于衬底（如硅和石英）以及高达 600°C 的薄膜沉积温度对射频溅射 ZnTe 薄膜结构、形貌、光学和电学行为影响的研究却极为罕见。为填补这一研究空白，深入了解这些因素对薄膜性能的影响机制，找到薄膜沉积的最佳参数，以提升基于 ZnTe 的光电器件和太阳能电池的性能，研究人员开展了此项研究。该研究成果发表在《Beilstein Journal of Nanotechnology》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
- 射频溅射技术：在不同衬底温度下，利用射频溅射在石英衬底上沉积 ZnTe 薄膜。通过精确控制射频功率、沉积时间、衬底 - 靶材距离、衬底温度和腔室内压力等参数，确保薄膜的均匀生长。
- 多种表征技术：运用光谱椭偏仪（SE）测量薄膜厚度；采用掠入射 X 射线衍射（GXRD）分析薄膜的结构；使用紫外 - 可见 - 近红外光谱仪（UV-vis-NIR）研究薄膜的光学性能；借助原子力显微镜（AFM）观察薄膜的表面形貌；利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）结合能谱仪（EDS）分析薄膜的微观结构和元素组成；通过两探针法结合 Keithley 4200 A-SCS 参数分析仪测量薄膜的电流 - 电压（I-V）特性。
下面来看看具体的研究结果：
- 结构特性：利用 GXRD 对薄膜结构进行分析。结果显示，室温下沉积的薄膜为非晶态，而在其他衬底温度下沉积的薄膜为立方闪锌矿结构的多晶态，且沿 [111] 方向有择优取向。随着衬底温度升高，晶粒尺寸从 37.60±0.42? 增大到 68.88±1.04?，微观应变和位错密度降低。这是因为随着温度升高，原子热运动加剧，表面迁移率增加，使得原子能够更好地排列和重结晶。
- 形貌特征：通过 AFM 和 FESEM 对薄膜表面形貌进行观察。AFM 图像显示，所有薄膜表面均覆盖着紧密堆积的球形纳米颗粒，且呈现柱状生长。随着衬底温度升高，粗糙度先增大后减小，在 600°C 时显著增大；颗粒密度先增大后减小，颗粒尺寸则先减小后增大。FESEM 图像进一步证实了颗粒尺寸和团聚情况随温度的变化，同时 EDS 分析表明薄膜的元素组成随温度发生变化。
- 光学性能：利用 UV-vis-NIR 光谱仪测量薄膜的透射光谱。结果表明，随着衬底温度升高，薄膜的平均透射率增加，在可见光和近红外区域的透明度提高。通过 Tauc 关系计算得出，直接光学带隙从室温下的 1.47eV 增大到 600°C 时的 3.11eV，间接带隙从 0.98eV 增大到 2.63eV。这主要归因于薄膜结晶度的提高和位错密度的降低。此外，薄膜的折射率随衬底温度升高而降低，且表现出正常色散行为。
- 光致发光特性：对薄膜进行光致发光（PL）研究。结果显示，所有薄膜在 420 - 453nm 范围内均有强而宽的发射光谱，随着衬底温度升高，出现了 563nm 的额外峰，且发射峰发生红移。PL 强度随衬底温度升高而降低，这是由于直接带隙增大，间接跃迁可能性增加所致。
- 电学性能：测量薄膜的 I-V 特性，发现其具有近似线性和规则的曲线，表明 ZnTe 薄膜与石英衬底之间形成了近似欧姆接触。随着衬底温度升高，薄膜的电导率从 1.42×10??Ω?1?cm?1 增大到 6.02×10??Ω?1?cm?1，这可能是由于载流子迁移率增加、电荷载流子浓度变化以及薄膜结晶度提高等因素共同作用的结果。
综合研究结果与讨论部分可知，衬底温度对射频溅射 ZnTe 薄膜的结构、形貌、光学和电学性能有着显著影响。在 600°C 下制备的 ZnTe 薄膜展现出宽禁带（3.11eV）、高结晶度、高透射率和高电导率等优异性能，使其成为太阳能电池缓冲层的理想候选材料。这一研究成果为优化 ZnTe 薄膜在光电器件和太阳能电池中的应用提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动相关领域的技术发展和进步。
