通过SILAR方法生长的NiO薄膜的表面演变与多功能性

《Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena》：Surface evolution and multifunctionality of NiO thin films grown by SILAR

　　

苏阿德·库伊德尔·阿基尔（Souad Kouider Akil）| 穆哈迈德·盖祖尔（M’hamed Guezzoul）| 阿泽丁·莫卡登（Azzeddine Mokadem）| 哈杰尔·赫里尔（Hadjer Herir）| 乌萨马·巴拉卡（Oussama Baraka）| 法里德·本纳比（Farid Bennabi）| 尤塞夫·拉尔巴（Youcef Larbah）| 穆罕默德·埃卢泽（Mohamed Ellouze）| 梅里姆·福迪尔（Meriem Fodil）| 穆罕默德·曼苏布·汗（Mohammad Mansoob Khan）

阿尔及利亚克莱夫哈西巴·本布阿里大学（University Hassiba Benbouali of Chlef）技术学院水与环境实验室，克莱夫02000

摘要

采用连续离子层吸附与反应（SILAR）方法在玻璃基底上制备了氧化镍（NiO）薄膜，并系统研究了沉积循环对其表面演变和多功能性能的影响。本研究的核心目标是了解单一制备参数——SILAR循环次数——如何控制薄膜的形态、结晶度、缺陷化学性质、电传输性能和抗菌活性。结构分析表明，在中等沉积循环次数下形成了结晶度更高的立方相NiO。原子力显微镜观察发现，表面粗糙度最初会降低，随后由于晶粒聚集而增加。X射线光电子能谱证实Ni2?是主要氧化态，并且表面羟基和氧相关物种的含量随循环次数变化。光学研究表明，在中等循环次数下缺陷相关的发射现象最小化，而电学测量显示在高循环次数时薄膜从n型导电性转变为p型导电性。此外，所有薄膜在可见光照射下均表现出对大肠杆菌（E. coli）的抗菌活性，其性能受表面和结构特性的影响。这些发现表明，通过控制SILAR循环次数可以有效调节NiO薄膜的结构质量和多功能行为，为其在光电、表面涂层和抗菌技术中的应用提供了潜力。

引言

氧化镍（NiO）是一种宽带隙过渡金属氧化物，具有立方岩盐结构，在光电、能量转换、传感和催化等领域有广泛研究[1]、[2]、[3]、[4]。由于其固有的p型导电性、在可见光范围内的高光学透明度和化学稳定性，NiO被用作太阳能电池中的空穴传输层、电致变色器件中的活性层、光电化学系统中的光阴极，以及抗菌和催化应用中的功能涂层[5]、[6]、[7]。NiO薄膜的电学和光学性能受其微观结构、化学计量比和缺陷化学性质（尤其是Ni空位和氧相关缺陷的浓度）的强烈影响，这些因素控制着电荷传输和光发射过程[8]、[9]。

已有多种物理和化学方法用于沉积NiO薄膜，包括脉冲激光沉积、溅射、溶胶-凝胶法、喷雾热解、化学浴沉积以及先进的等离子辅助技术，这些技术能够精确控制NiO纳米结构[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。其中，连续离子层吸附与反应（SILAR）技术是一种低成本、简单且可扩展的方法，可在相对较低的温度下制备出均匀的氧化膜，最近关于NiO纳米结构在环境和功能应用方面的研究也证明了这一点[15]、[16]。该方法通过控制沉积循环次数来精确调节薄膜厚度和组成，特别适合针对特定应用调整NiO的结构、光学和电学性能。尽管具有这些优势，但很少有研究全面探讨SILAR循环次数如何影响NiO薄膜的形态、结晶度、缺陷状态、电子结构和功能性能之间的相互作用[17]、[18]。

除了光电相关性外，NiO薄膜还表现出显著的抗菌性能，这与其在可见光照射下生成活性氧（ROS）、释放Ni离子和破坏细菌膜的能力有关[9]、[19]、[20]、[21]、[22]。这两种多功能性使NiO成为一种多功能材料平台，具有在能源、环境和生物医学设备中应用的潜力。

在本研究中，采用连续离子层吸附与反应（SILAR）方法在玻璃基底上合成了氧化镍（NiO）薄膜，并通过系统改变沉积循环次数来微调其形态、结构、化学、电子、光学（光致发光）、电学和抗菌性能。这种方法非常新颖，因为之前很少探索过薄膜形式的NiO的抗菌性能，而本研究通过精确控制单一制备参数——沉积循环次数——首次实现了光学、电子和抗菌功能的同步优化。采用原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、反射电子能量损失谱（REELS）、光致发光（PL）和霍尔效应测量进行了全面表征。此外，还评估了薄膜在可见光照射下对大肠杆菌（E. coli）的抗菌活性。通过将沉积条件与结构和功能响应相关联，本研究为SILAR法制备的NiO薄膜作为具有可调光电性能和固有抗菌能力的多功能材料提供了新的见解，使其成为下一代光电和抗菌应用的有希望的候选材料。

尽管关于NiO薄膜的文献很多，但对其合成参数如何控制结构有序性、表面化学性质、电子结构和多功能性能之间相互作用的理解仍然不完整，尤其是对于基于溶液的沉积技术而言。对于SILAR方法而言，沉积循环次数是一个基本但尚未充分研究的参数，它直接影响成核动力学、逐层生长动态、氢氧化物向氧化物的转化过程以及最终薄膜的电子和功能性能。大多数先前的研究要么仅关注结构性质，要么仅关注光学性质，而没有建立体结晶度、表面敏感的化学状态、等离子体响应、缺陷相关复合、电荷传输行为和生物活性之间的系统关联。在这方面，本研究通过结合AFM、XRD、XPS、REELS、光致发光、霍尔效应测量和抗菌测试的多技术表征策略，阐明了SILAR循环次数的可控变化如何调节NiO薄膜的缺陷化学性质、导电类型和表面反应性。通过证明中等沉积条件能够同时优化结晶度、化学计量比、电子结构和抗菌效率，本研究确立了循环工程作为一种利用低成本和可扩展合成方法来定制多功能氧化薄膜的强大工具。

章节摘录

沉积过程

NiO薄膜的合成过程如图1所示。在室温和常压下，采用连续离子层吸附与反应（SILAR）技术在玻璃基底上沉积NiO薄膜。沉积前，基底经过彻底清洗以确保良好的附着力和均匀的薄膜生长。氧化镍使用氯化镍（Ni(II)）作为阳离子前驱体，氨作为络合剂

使用AFM进行形态学研究

采用敲击模式下的AFM获得了SILAR方法沉积的NiO薄膜的高分辨率地形图和相位对比图像。AFM能够定量评估表面粗糙度参数，包括平均粗糙度（Sa）、均方根粗糙度（RMS）、相位粗糙度（Rφ）和晶粒尺寸分布。测量范围为10×10 μm2，这在空间分辨率和统计精度之间取得了适当的平衡

结论

通过SILAR方法成功合成了NiO薄膜，并研究了其结构、形态、化学、光学、电学和抗菌性能随沉积循环次数的变化。结果清楚地表明，SILAR循环次数显著影响薄膜质量和功能行为。AFM和XRD分析显示，循环次数增加到60次时结晶度有所提高，而过度沉积（80次）会导致晶粒

CRediT作者贡献声明

苏阿德·库伊德尔·阿基尔（Souad Kouider Akil）：撰写——初稿，资源整理，数据管理。梅里姆·福迪尔（Meriem Fodil）：指导。穆罕默德·曼苏布·汗（Mohammad Mansoob）：撰写——审阅与编辑。哈杰尔·赫里尔（Hadjer Herir）：软件，数据管理。乌萨马·巴拉卡（Oussama Baraka）：指导。穆哈迈德·盖祖尔（M’hamed Guezzoul）：撰写——初稿，方法学，形式分析，数据管理，概念化。阿泽丁·莫卡登（Azzeddine Mokadem）：验证，指导，项目管理。穆罕默德·埃卢泽（Mohamed Ellouze）：撰写——审阅与编辑，可视化。法里德·本纳比（Farid Bennabi）：撰写——初稿，数据

利益冲突声明

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致谢

作者感谢各自所在大学的支持。