氮离子注入调控溅射钼薄膜的结构、形貌、光学及电学特性研究

为解决钼薄膜在能源存储和光伏器件中性能优化的问题，研究人员通过射频溅射法制备不同厚度（150-300 nm）的Mo薄膜，并采用30 keV能量的N2+注入（1×1017 ions/cm2）系统研究其结构、形貌、光学及电学特性变化。结果表明，注入后薄膜结晶度降低但光学吸收增强，电导率随厚度增加而提升，为光伏和微电子器件设计提供了重要理论依据。

　　

钼（Mo）薄膜因其高熔点、化学惰性和优异的热稳定性，在太阳能电池、集成电路和微机电系统（MEMS）中扮演着关键角色。然而，如何精确调控其性能以适应不同应用场景仍是当前研究的难点。传统方法如化学气相沉积虽能制备高质量薄膜，但成本高昂且工艺复杂；而离子注入技术作为一种非热平衡工艺，可通过引入缺陷或掺杂直接改变材料性能，但针对不同厚度钼薄膜的系统研究仍存在空白。

为填补这一空白，来自库鲁克谢特拉大学离子束中心的研究团队在《Beilstein Journal of Nanotechnology》发表了一项创新研究。他们采用射频（RF）溅射法在室温氩气氛围中制备了150-300 nm四种厚度的Mo薄膜，并对部分样品进行30 keV氮离子（N₂⁺）注入（注量1×10¹⁷ ions/cm^?2）。通过掠入射X射线衍射（GXRD）、原子力显微镜（AFM）、椭圆偏振光谱和四探针电学测试等多尺度表征手段，揭示了厚度与离子注入对薄膜性能的协同调控机制。

关键技术方法
研究团队首先通过SRIM-TRIM模拟预测氮离子在钼中的射程（184±98 ?）和损伤分布；采用RF溅射控制薄膜厚度（7-12分钟沉积时间）；利用GXRD分析晶体结构变化；AFM量化表面粗糙度；椭圆偏振光谱测定光学常数；四探针法测量电学性能。所有实验均在相同基底（Si(100)）和沉积参数下完成以确保可比性。

SRIM-TRIM模拟
模拟显示氮离子主要通过电离（8.5 keV/离子）和声子激发（6.2 keV/离子）传递能量，单离子可产生95个空位。电子能损（25.6 eV/?）与核能损（18.2 eV/?）贡献相当，表明注入过程会同时引发晶格畸变和电子激发。

结构特性
GXRD显示所有薄膜均为面心立方结构（JCPDS 01-088-2331）。未注入薄膜的（111）峰强度随厚度增加而增强，结晶尺寸从13.2 nm（150 nm厚）增至15.2 nm（300 nm厚）。注入后结晶尺寸减小11-15%，微应变增加20-30%，且（111）晶面间距膨胀0.3-0.4%。应力分析表明，未注入薄膜呈1.25-0.31 GPa的拉伸应力，而注入后转变为-0.69至-0.11 GPa的压缩应力，这与氮原子占据晶格间隙直接相关。

表面形貌
AFM显示RMS粗糙度随厚度从1.09 nm（150 nm）增至1.73 nm（300 nm），注入后进一步增加15-20%。未注入薄膜呈现细长峰状形貌，注入后转变为宽平结构，颗粒尺寸从67 nm增至120 nm，表明离子轰击促进了表面原子迁移和团聚。

光学特性
椭圆偏振光谱发现注入使折射率提高5-8%，尤其在300-700 nm出现局域表面等离子体共振（LSPR）特征峰。150 nm薄膜的吸光度在注入后增加40%，反射率峰值蓝移至225 nm，这与氮诱导的缺陷态和纳米颗粒尺寸变化密切相关。

电学特性
四探针测试显示未注入薄膜电导率从6.62×10² S/cm（150 nm）提升至7.57×10² S/cm（300 nm），符合厚度增加降低晶界散射的规律。注入后电导率下降35-50%，归因于氮引入的载流子陷阱和晶格畸变。

结论与意义
该研究首次系统阐明了厚度与N₂⁺注入对钼薄膜性能的耦合效应：厚度增加通过促进晶粒生长提升结晶质量和电导率，而氮注入通过缺陷工程调控光学吸收和应力状态。这种"厚度-注入"协同策略为设计高性能光伏背电极（如CIGS太阳能电池）和柔性电子器件提供了新思路——通过选择特定厚度（如250 nm）结合中等注量（1×10¹⁷ ions/cm^?2），可同时优化薄膜的导电性和光捕获能力。研究还揭示了氮注入诱导的压缩应力可抵消沉积过程中的本征拉伸应力，这对提高MEMS器件的机械稳定性具有重要参考价值。