在PEALD（物理气相沉积）过程中控制NiOx的性能：水等离子体功率的关键作用

迭戈·G·古斯曼（Diego G. Guzmán）|马里奥·A·伊德罗戈-里科（Mario A. Hidrogo-Rico）|保罗·霍利（Paul Horley）|安娜·保罗·德·梅洛·蒙特罗·莫德斯托（Ana Paula de Melo Monteiro Modesto）|伊莎贝尔·门迪维尔-帕尔马（Isabel Mendívil-Palma）|F·塞瓦诺多·阿吉雷-托斯塔多（F. Servando Aguirre-Tostado）|爱德华多·马丁内斯-格拉（Eduardo Martínez-Guerra）|弗朗西斯科·C·马奎斯（Francisco C. Marques）

摘要

具有可调性质的P型氧化镍（NiO_x）薄膜对于先进的光电和光伏技术至关重要。我们发现，ALD（原子层沉积）过程中使用的H₂O等离子体的功率（50–200瓦）是控制由Ni(acac)₂前驱体制备的NiO_x薄膜的结构、光学、电学和电子特性的关键参数。从结构上看，所有制备的薄膜都属于纳米晶立方相NiO；只有在200瓦功率的等离子体作用下才会出现次要的Ni₃C相，这使得晶粒尺寸增大（约10–13纳米），同时表面粗糙度也增加（0.85–2.39纳米）。可见光透过率随着等离子体功率的增加而降低，从50瓦时的80%下降到200瓦时的约60%，这是由于缺陷导致的散射增加所致。所有薄膜均具有p型导电性（约10⁻⁴ S/cm）。在200瓦功率条件下制备的样品显示出最高的迁移率（10.07厘米²/伏特·秒）和导电性（8.91 × 10⁻⁴ S/cm）。X射线光电子能谱（XPS）分析证实了非化学计量比的NiO_x的形成，且其缺陷结构随等离子体功率的变化而变化。只有在高功率等离子体作用下，CNi峰才会出现。电子结构分析表明，等离子体功率可以有效地调节带隙（3.35–3.54电子伏特）、功函数（5.17–5.70电子伏特）以及价带最大值的位置（相对于费米能级E_F为–0.73至–0.35电子伏特）。使用50瓦等离子体沉积的薄膜在空穴传输层方面具有理想的性能：高透明度（>80%），低表面粗糙度（0.85纳米），良好的能带对齐（E_F – 0.73电子伏特）以及较高的导电性（3.45 × 10⁻⁴ S/cm）。这些结果表明，H₂O等离子体的功率是一个多功能参数，可用于NiO_x中的缺陷工程和能带对齐控制，从而制备出适用于钙钛矿太阳能电池及其他透明光电器件的高质量空穴传输层。