论文标题：Optical Properties of a-SiC:H Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-3978/6/2/8

期刊名：Electronic Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronicmat

研究背景

非晶碳化硅（a-SiC:H）薄膜凭借其优异的化学与机械稳定性、出色的电学性能及高光学透明度，已成为研究热点。这些独特优势使其在光伏、光电子器件及气体传感等领域展现出巨大的应用潜力。在众多光学特性中，光学带隙与折射率尤为关键，直接决定了该薄膜在光学器件中的性能表现。当前，尽管关于沉积参数如何影响a-SiC:H薄膜光学特性的研究已相当丰富，但这些特性的长期稳定性问题却鲜有涉及。因此，本研究聚焦于磁控溅射法制备的a-SiC:H薄膜，系统探究其光学特性，并重点考察其在长达12年存储周期内的稳定性，以期为该材料的实际应用提供关键的可靠性数据支持。

研究内容

本研究采用磁控溅射技术，在100°C至290°C的基底温度范围内制备了氢化非晶碳化硅（a-SiC:H）薄膜，并利用椭偏仪技术表征了其光学特性。实验以纯度99.9%（组成为66 wt.% Si和34 wt.% C）的SiC为靶材，在150 W射频功率、4.5 cm靶基距条件下进行。沉积前，腔体预抽至超高真空（约10?? Torr），随后通过可调漏阀通入反应气体，其中氢气流量为20 sccm（不含氢薄膜为0 sccm），氩气流量恒定为30 sccm。选用Corning 7059玻璃为基底，并在沉积前对靶材与基底进行了20分钟的预溅射清洁。

吸收光谱测试结果显示，随着基底温度升高，薄膜的吸收曲线随波长降低，呈现出典型的非晶SiC:H特征。基于Mott和Davis方法计算光学带隙发现：含氢薄膜的光学带隙随基底温度从100°C升至290°C，由2.00 eV增大至2.18 eV；而在100°C下制备的不含氢薄膜，其光学带隙仅为1.29 eV。该结果有力证实了氢原子对薄膜光学带隙的显著调控作用——氢的引入能够有效钝化非晶网络中的悬挂键、减少结构缺陷，从而显著拓宽其光学带隙。

研究进一步揭示，薄膜的折射率在100°C至220°C区间内保持相对稳定，而当温度升至290°C时则出现显著下降。折射率与光学带隙随基底温度的变化呈反比关系，这一特性对光学应用至关重要。Tauc斜率（B）分析表明，在100°C和220°C下沉积的薄膜材料质量最佳，意味着在此温度条件下，氢原子在a-SiC:H网络中的排布更为理想，能有效钝化悬挂键并减少结构缺陷。然而，当基底温度高达290°C时，过量的氢原子进入非晶网络反而会引发结构劣化，导致材料质量下降。

值得关注的是，这些薄膜样品于12年前制备，并一直在实验室环境（室温、约1个标准大气压的沿海典型气压）中保存。12年后，研究人员对这些样品的光学特性进行了复测，发现其性能几乎未发生改变，这证明了非晶材料的结构及a-SiC:H网络中的氢原子均具备出色的稳定性。这一发现对a-SiC:H薄膜在光电子器件与太阳能电池等领域的长期可靠应用具有重大价值。

图为光学带隙能量与衬底温度的关系

研究总结

本研究系统探究了采用磁控溅射技术、在不同基底温度下制备的a-SiC:H薄膜的光学特性，并首次揭示了这些特性在长达12年周期内的稳定性。结果表明，含氢a-SiC:H薄膜的光学带隙介于2.00至2.18 eV之间，而不含氢薄膜的带隙仅为1.29 eV，有力证实了氢对非晶碳化硅薄膜光学性能的决定性影响。此外，薄膜折射率在100-220°C温度区间内保持稳定，于290°C时显著下降，并与光学带隙呈现明确的反比关系。Tauc斜率分析进一步指出，在100°C和220°C下沉积的薄膜质量最优，最适用于光电子应用。最具突破性的发现是，这些薄膜的光学特性在历经12年存储后依然保持稳定，充分证明了a-SiC:H薄膜在实际应用中的高可靠性。此项成果不仅为该材料在光电子器件及太阳能电池等领域的长期应用提供了关键参考，也为未来薄膜材料长期稳定性的研究奠定了坚实基础。

Electronic Materials期刊介绍

主编：Prof. Dr. Wojciech Pisula

1. Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Germany

2. Department of Molecular Physics, Faculty of Chemistry, Lodz University of Technology, Zeromskiego 116, 90-924 Lodz, Poland

Electronic Materials（ISSN 2673-3978）是一个开放获取期刊，发表与电子材料相关的科学研究和技术发展。本刊为电子材料基础科学、工程和实际应用方面的综述、文章和简讯提供发表平台。目前已被Scopus, Ei Compendex等数据库收录。