使用磁控共溅法制备的一些基于硒化物的二元薄膜（Bi?Se?、InSe、SnSe）的合成与表征

《Next Materials》：Synthesis and characterization of some selenide-based binary thin films (Bi 2Se 3, InSe, SnSe) grown using magnetron co-sputtering

本研究采用磁控共溅射法在无定形石英衬底上制备了Bi?Se?、InSe和SnSe薄膜，通过XRD、AFM和霍尔效应等表征手段，证实了其层状取向结构、低粗糙度及优异的载流子迁移率（Bi?Se?达100 cm2/V·s），并探讨了溅射工艺中硒过量可能引起的表面颗粒问题，为规模化制备提供了可行方案。

　　本研究探讨了通过磁控溅射技术直接使用元素靶材进行二元硒化物薄膜的合成，并对所制备的Bi?Se?、InSe和SnSe薄膜的结构、光学和电输运特性进行了系统分析。这些硒化物因其在拓扑、电子和光学方面的卓越性能而备受关注，但传统上磁控溅射技术在制备硒化物薄膜方面并不如其他方法受欢迎。本文旨在验证磁控溅射是否能够独立地实现高质量硒化物薄膜的制备，无需额外的硒化处理步骤，这在大规模生产和应用中具有重要意义。

在实验过程中，所有样品均在室温下进行溅射沉积，随后在300–350°C的真空条件下进行退火处理。这一工艺流程与我们之前对Bi?Se?薄膜的研究相似，结果表明在适当控制溅射功率和气体压力的情况下，可以得到高度取向的晶体结构。对于Bi?Se?，我们观察到其X射线衍射图谱仅显示（003l）系列的峰，表明其具有高度取向的c轴生长特性。这与我们之前使用复合靶材的研究结果一致，并且薄膜的表面粗糙度较低，约为1.3 nm，表明其具有良好的均匀性和结构完整性。此外，通过能量色散X射线光谱（EDS）分析，我们确认了Bi?Se?薄膜中铋和硒的摩尔比接近2:3，进一步验证了其化学计量比的准确性。该薄膜表现出高达88 cm2/V·s的载流子迁移率和约1×102? cm?3的载流子浓度，这些参数均优于其他报道的溅射制备的Bi?Se?薄膜，并与我们之前使用复合靶材的研究结果相吻合。这表明磁控溅射技术能够有效制备高质量的Bi?Se?薄膜，适用于拓扑绝缘体和自旋电子学等领域的应用。

对于InSe薄膜，我们采用了相似的工艺流程，但在退火温度上进行了优化。在室温下溅射沉积后，样品在350°C下退火1小时，以获得最佳的晶体结构。X射线衍射图谱显示，InSe薄膜仅呈现（002l）系列的峰，这表明其具有高度取向的层状生长结构。这一结果与我们之前对InSe薄膜的观察一致，且其光学吸收光谱显示出在1.6 eV处的直接带隙特征，与文献中报道的高迁移率InSe薄膜的带隙值相符。通过原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）分析，我们发现InSe薄膜的表面粗糙度极低，均方根（RMS）粗糙度约为0.5 nm，表明其具有优异的表面质量。然而，SEM图像中也观察到了一些均匀分布的微小颗粒，直径约为20–50 nm，这可能与溅射过程中过量的硒供给有关，从而导致了局部的硒空位。尽管如此，这些颗粒并未显著影响薄膜的整体性能，反而表明其在结构上具有一定的均匀性。

SnSe薄膜的制备过程与InSe类似，但需要更高的退火温度以获得良好的晶体结构。我们发现，当SnSe在350°C下退火1小时后，其X射线衍射图谱显示出（400）和（200）峰，表明其具有沿a轴取向的正交晶格结构。通过X射线反射率（XRR）分析，我们计算出SnSe薄膜的密度为6.14 g/cm3，略低于其体材料的密度（6.18 g/cm3），这可能与薄膜中的局部硒空位有关。EDS分析显示SnSe薄膜中锡和硒的原子比接近1:1，表明其具有良好的化学计量比。光学吸收光谱分析表明，SnSe薄膜在0.7–2.7 eV范围内表现出间接带隙（约0.98 eV）和直接带隙（约1.40 eV）的特征，这与已有文献报道一致。此外，通过霍尔效应测量，我们确认了SnSe薄膜具有p型半导体特性，其载流子迁移率约为7.6 cm2/V·s，载流子浓度为2.95×101? cm?3，表明其具有良好的电输运性能。虽然其表面粗糙度略高于Bi?Se?和InSe，但依然保持在可接受的范围内，约为5.5 nm，且表面呈现出沟槽和凹坑的特征，这可能与高温生长条件有关。

综上所述，本研究展示了磁控溅射技术在制备高质量二元硒化物薄膜方面的潜力。通过使用元素靶材直接进行溅射沉积，并结合退火处理，我们成功获得了具有高度取向、良好光学和电输运性能的Bi?Se?、InSe和SnSe薄膜。这些结果不仅验证了磁控溅射在合成硒化物薄膜中的可行性，也为未来在大规模生产和器件应用中的进一步优化提供了依据。此外，本研究还表明，尽管在溅射过程中可能引入一定的缺陷（如硒空位），但通过合理的工艺控制，这些缺陷对薄膜性能的影响可以被有效抑制。因此，磁控溅射作为一种高效、灵活的薄膜制备方法，有望成为未来研究和开发高性能硒化物材料的重要工具。