原子层沉积中前驱体预处理对SnS薄膜生长速率及性能的调控机制研究

本研究针对原子层沉积(ALD)制备SnS薄膜时生长速率低、工艺耗时长的瓶颈问题，创新性地引入Sn(acac)2前驱体预处理工艺。通过WCA、XPS等表征证实预处理可优化基底表面状态，XRR显示生长速率提升62%(0.34→0.55 ?/cycle)，AFM、GI-XRD等证实薄膜结晶性与致密度显著改善，为半导体器件高效制备提供新策略。

　　

在半导体器件持续微型化的浪潮中，二维材料因其独特的物理化学性质成为研究热点。锡硫化物(SnS)作为典型的IV-VI族化合物，兼具1.3-1.8 eV的理想带隙、>10⁴ cm^?1的光吸收系数和p型导电特性，在柔性电子、光伏器件等领域展现巨大潜力。然而传统原子层沉积(ALD)技术制备SnS薄膜时，由于Sn(acac)₂前驱体中庞大乙酰丙酮配体(acac)的空间位阻效应，导致初始沉积阶段成核密度低、生长速率缓慢(仅0.34 ?/cycle)，严重制约生产效率。

针对这一技术瓶颈，研究人员创新性地开发了前驱体预处理工艺。通过150°C下对基底进行Sn(acac)₂预吸附处理，有效激活表面反应位点。水接触角(WCA)测试显示预处理后基底亲水性增强，X射线光电子能谱(XPS)证实表面Sn-O键形成，为后续薄膜生长提供更多成核中心。采用热ALD系统，以H₂S为硫源，系统研究了预处理对薄膜性能的影响。

X射线反射(XRR)分析揭示预处理使薄膜生长速率提升至0.55 ?/cycle，密度从4.89增至5.12 g/cm³。原子力显微镜(AFM)显示表面粗糙度(R_a)由1.24 nm降至0.85 nm。掠入射X射线衍射(GI-XRD)检测到增强的(040)晶面衍射峰，表明预处理促进了正交晶系SnS的择优取向生长。拉曼光谱中A_g模振动峰半高宽减小，证实结晶质量提升。透射电镜(TEM)直接观察到更致密的层状结构，选区电子衍射(SAED)呈现明锐的衍射斑点。

光电性能测试显示预处理薄膜的光学带隙从1.68 eV调整为1.72 eV，紫外光电子能谱(UPS)测得价带顶位置提升0.3 eV。霍尔效应测试表明空穴浓度从3.7×10¹⁷增至1.2×10¹⁸ cm^?3，迁移率由2.1提升至4.7 cm²/V·s。进一步原位退火实验发现400°C处理可诱导立方相SnS生成，实现带隙从1.72 eV到1.38 eV的可控调节。

该研究通过前驱体预处理策略，突破了ALD技术制备SnS薄膜的效率瓶颈，生长速率提升62%的同时显著改善了薄膜结晶质量和电学性能。创新性地揭示了配体修饰对成核动力学的调控机制，为二维硫族化合物薄膜的工业化制备提供了普适性方法。特别是提出的低温工艺路线(150°C沉积)，与柔性聚酰亚胺(PI)基板兼容，推动可穿戴电子器件发展。研究结果发表于《Applied Surface Science》，得到韩国国家研究基金会(NRF-2022R1A2C1091913)支持。