关于通过雾化辅助喷雾热解技术制备的Cu?CoSnS?薄膜的温度依赖性光电特性的研究

《Materials Chemistry and Physics》：Investigations on the temperature dependent opto-electronic features of Cu 2CoSnS 4 thin films prepared through nebulizer assisted spray pyrolysis technique

本研究通过调整基底温度（275-375℃）探究Cu?CoSnS?薄膜的晶相、光学及电学性能，发现350℃时薄膜带隙最低（1.69eV），光电流响应最高（42μA），量子效率达189%，证实其作为高性能光探测器的潜力。

　　在现代科技迅速发展的背景下，光电子材料的应用日益广泛，涵盖信息产业、医疗、通信、航空航天及国防等多个领域。光电子技术不仅在光学通信系统中发挥着关键作用，还广泛应用于成像设备、数据存储、显示技术以及远程传感系统。半导体材料作为光电子器件的核心组成部分，因其具备合适的能带宽度，能够有效吸收可见光和近红外光，同时又具有足够的电导率，成为这些应用的理想选择。相比之下，绝缘材料由于其固有的局限性，无法满足光电子应用的需求，而金属虽然主要作为导体使用，但在特定条件下也能展现出光探测能力。

近年来，随着对可持续能源和环保材料的重视，一种被称为“kesterite”的材料因其稳定性、丰富的自然资源、非毒性以及优异的光电子性能而受到广泛关注。kesterite材料包括多种变体，如Cu?ZnSnS?（CZTS）、Cu?NiSnS?（CNTS）、Cu?CoSnS?（CCTS）和Cu?FeSnS?（CFTS）等，这些材料在能源转换领域展现出替代传统光伏材料如CdTe和GaAs的潜力。kesterite材料的一个显著优势是其合成后的长期稳定性，表现出极低的降解率，这使其在实际应用中具有良好的前景。

在光电子应用中，CCTS（Cu?CoSnS?）薄膜因其独特的材料特性而受到特别关注。这些特性包括在可见光到近红外波段的强光吸收能力、较高的电导率以及可调节的载流子迁移率，这些特性依赖于晶体结构和缺陷密度。CCTS薄膜的能带宽度通常在1.2 eV到1.7 eV之间，这一范围有助于高效地吸收太阳光谱，使其成为光伏器件的理想材料。此外，CCTS薄膜还具有透明性和可控的电导率，这使其在触摸屏、显示设备和智能窗户等透明电极应用中表现出色。同时，其优异的光电响应能力也使其成为高性能传感器和光电子器件的重要候选材料。

为了进一步探索CCTS薄膜的光电子性能，研究人员采用多种制备技术，如热蒸发、旋涂、电沉积、热分解、浸涂、溶胶-凝胶法、溅射和喷雾热解等，以实现对材料性能的优化。在这些方法中，喷雾热解法因其良好的可扩展性和成本效益，成为制备大面积光电子器件的首选方法之一。为了确保薄膜的性能达到最佳状态，必须对Cu、Co、Sn和S的化学计量比进行精确控制，同时通过适当的后处理条件来优化晶体结构和相纯度。

在本研究中，采用了喷雾热解法结合雾化器辅助技术（Nebulizer-Assisted Spray Pyrolysis, NSP），在玻璃基底上制备CCTS薄膜。该方法通过精确控制温度和化学计量比，实现了高质量、可重复的薄膜制备。通过系统地调整基底温度，从275°C到375°C，每次增加25°C，研究者观察到CCTS薄膜的结构和性能随着温度的变化而发生变化。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman Spectroscopy）分析表明，CCTS薄膜在所有基底温度下都能形成，其中在350°C时的衍射峰强度最高，并且没有出现第二相。这说明350°C是实现CCTS薄膜最佳晶体结构和相纯度的关键温度。

扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析显示，基底温度的升高对薄膜的表面形貌和元素分布产生了显著影响。350°C制备的样品展现出最均匀的表面形貌和最优化的元素分布，这有助于提高其光电子性能。紫外-可见-近红外光谱（UV–Vis–NIR）分析进一步证实了这一结论，表明350°C样品的光吸收能力最强，其光学带隙为1.69 eV，这一带隙宽度有利于在可见光波段进行高效的光吸收。同时，该样品还表现出最高的光电流（42 μA），以及良好的响应率（0.812 A/W）、探测率（5.43 × 101? Jones）和外部量子效率（EQE）（189%）。这些结果表明，通过调整基底温度，可以有效优化CCTS薄膜的光电子性能，使其在广泛的应用场景中表现出色。

此外，研究者还发现，CCTS薄膜的带隙宽度可以通过基底温度的调整进行调控，这为开发具有可调光电子特性的材料提供了新的思路。在350°C时，CCTS薄膜的带隙宽度达到最低值（1.69 eV），而在其他温度下，带隙宽度相对较高，这可能与晶体结构和缺陷密度的变化有关。通过进一步研究，可以更深入地理解这些因素对CCTS薄膜性能的影响，并为优化其光电子特性提供理论依据。

在光电子器件的应用中，CCTS薄膜的光电响应速度和低噪声特性也使其成为理想的材料选择。研究表明，CCTS薄膜在可见光和近红外波段具有优异的光吸收能力，这使其在太阳能电池和光探测器等应用中表现出色。同时，其可调节的带隙宽度和高电导率也使其在透明电极和高性能传感器等领域具有广泛的应用前景。这些特性使得CCTS薄膜成为一种极具潜力的材料，能够在未来的光电子技术中发挥重要作用。

为了进一步验证CCTS薄膜的光电子性能，研究者采用了一系列先进的表征技术。X射线衍射分析用于研究薄膜的晶体结构和相纯度，拉曼光谱用于识别不同的相态，扫描电子显微镜用于观察薄膜的表面形貌，能量色散光谱用于分析薄膜的元素组成，而紫外-可见-近红外光谱则用于研究其光学性能。这些表征方法共同构成了对CCTS薄膜性能的全面评估体系，为优化其光电子特性提供了坚实的基础。

通过系统地研究基底温度对CCTS薄膜性能的影响，研究者发现350°C是实现最佳光电子性能的关键温度。在这一温度下，CCTS薄膜的晶体结构最为稳定，其带隙宽度达到最低值，同时表现出最高的光吸收能力和光电流。此外，该样品还展现出良好的响应率和探测率，这些性能指标的优化使得CCTS薄膜在光电子器件的应用中具有显著的优势。

综上所述，CCTS薄膜在光电子领域的应用潜力巨大。通过调整基底温度，可以有效优化其晶体结构、相纯度和光学性能，使其在可见光和近红外波段具有优异的光吸收能力。同时，其可调节的带隙宽度和高电导率也使其在透明电极和高性能传感器等领域具有广泛的应用前景。这些特性使得CCTS薄膜成为一种极具潜力的材料，能够在未来的光电子技术中发挥重要作用。