基于铁(II)二硫代氨基甲酸盐单源前驱体的形貌可控气溶胶辅助化学气相沉积法制备硫化铁薄膜及其光电性能调控

研究人员针对硫化铁(FeS)薄膜相纯度控制和形貌调控的难题，创新性地采用bis-(piperidinedithiocarbamato)iron(II)和bis-(tetrahydroquinolinedithiocarbamato)iron(II)作为单源前驱体，通过气溶胶辅助化学气相沉积(AACVD)技术在350-450°C成功制备了六方晶系Fe0.9975S薄膜。研究发现沉积温度可调控颗粒形貌（240nm-1.6μm）和带隙（2.19-2.29eV），为光伏器件开发提供了新型环保材料解决方案。

　　

在可再生能源技术快速发展的今天，寻找低成本、低毒性的新型光电材料成为研究热点。硫化铁(FeS)因其天然丰度高、环境友好和可调谐的光电特性备受关注，特别是在替代传统含镉、铅的太阳能电池材料方面展现出巨大潜力。然而，现有研究多集中于铁(III)前驱体，对铁(II)前驱体的探索明显不足，且FeS薄膜的相纯度和形貌控制仍是制约其实际应用的瓶颈问题。Sixberth Mlowe团队在《Next Materials》发表的研究，为这一领域带来了突破性进展。

研究团队创新性地采用bis-(piperidinedithiocarbamato)iron(II)（1）和bis-(tetrahydroquinolinedithiocarbamato)iron(II)（2）两种铁(II)二硫代氨基甲酸盐配合物作为单源前驱体，通过气溶胶辅助化学气相沉积(AACVD)技术，在氯仿溶剂中于350°C和450°C沉积温度下制备FeS薄膜。关键技术包括热重分析(TGA)评估前驱体分解行为、紫外-可见-近红外光谱测定光学带隙、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析表面形貌、X射线衍射(XRD)确定晶体结构等。

3.1. 单源前驱体

热重分析显示两种前驱体分别在286°C和241°C发生单步分解，残留物与FeS理论值相符。气相色谱-质谱(GC-MS)证实前驱体通过消除二硫代氨基甲酸盐片段分解，为薄膜沉积提供了理想的分子源。

3.2. 光学分析

薄膜表现出显著的温度依赖性光学特性。源自前驱体（1）的薄膜在350°C和450°C分别显示2.29eV和2.19eV的直接带隙，这种红移现象归因于量子限域效应。所有薄膜在近红外区域均表现出强吸收，符合光伏材料的需求特性。

3.3. 结构和形貌分析

SEM揭示前驱体（1）在350°C产生240-370nm的均匀球形颗粒，450°C时形成650-1050nm的各向异性结构；前驱体（2）则产生248-364nm（350°C）和1.1-1.6μm（450°C）的颗粒。AFM显示前驱体（1）制备的薄膜具有更光滑表面（Ra=69.8nm）。XRD确证所有薄膜均为六方晶系Fe_0.9975S，450°C沉积的薄膜显示更强的（112）和（201）晶面择优取向，晶粒尺寸约18.24nm。

这项研究首次系统论证了铁(II)二硫代氨基甲酸盐作为单源前驱体在FeS薄膜可控合成中的独特优势。通过精确调控沉积温度，实现了从纳米级到微米级的形貌控制，以及2.19-2.29eV范围内的带隙调节。与传统的铁(III)前驱体相比，铁(II)体系展现出更优异的相纯度和形貌可控性，所获得的六方晶系Fe_0.9975S薄膜具有理想的光吸收特性。这些发现不仅为FeS材料在光伏和能源存储领域的应用提供了新思路，也为其他过渡金属硫族化合物的可控合成建立了方法论参考。特别值得注意的是，该研究开发的低温沉积工艺（350-450°C）相较于传统方法更具能耗优势，符合绿色化学的发展趋势。未来通过掺杂或复合改性，这类材料有望在可再生能源技术中发挥更重要作用。