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本研究通过系统调节喷涂热解参数（基板温度、溶液体积、喷涂速率），优化了MoO3薄膜的结晶性、表面形貌及光电性能，并探究其对n-MoO3/p-Si异质结二极管性能的影响。最佳条件（400℃、15mL溶液、10mL/min速率）下制备的薄膜具有高结晶度（~210nm晶粒）、低晶格应变及优异光电特性，二极管反向饱和电流密度低至5.4×10??mA/cm2，理想因子接近5.13。
M. Ataei | M.R. Fadavieslam
伊朗达姆甘大学物理学院，达姆甘
摘要
三氧化钼（MoO?）薄膜是一种宽带隙n型氧化物，在光电设备中因其稳定性和高透明度而受到重视。然而，优化喷雾热解沉积参数（如基底温度、溶液体积和喷雾速率）以实现更优质的薄膜和二极管性能仍然具有挑战性。在这项工作中，我们系统地改变了这些参数，以研究它们对MoO?薄膜的结构、光学和电学性质以及n-MoO?/p-Si异质结二极管性能的影响。X射线衍射证实形成了具有强[010]取向的纯相正交α-MoO?，而在400°C下沉积的薄膜表现出最佳的结晶度、最大的晶粒尺寸（约210纳米）和最低的晶格应变。扫描电子显微镜图像显示，这些最佳薄膜具有光滑、致密的表面，并且晶粒尺寸约为210纳米。光学测量表明，其带隙范围为2.81–2.98电子伏特，其中在400°C下沉积的薄膜（溶液体积为15毫升，喷雾速率为10毫升/分钟）具有最小的带隙（约2.81电子伏特）。n-MoO?/p-Si二极管的电学表征显示，基于最佳薄膜的器件表现出非常低的反向饱和电流密度（J? ≈ 5.4×10?? mA/cm2）和约5.13的理想因子，这对应于改善的整流行为。这些改进归因于晶体质量的提高、缺陷密度的降低以及MoO?/Si结处更好的界面形成。我们的结果表明，精确调节喷雾热解条件可以控制MoO?薄膜的微观结构和光电性质，这对于优化基于MoO?的光电探测器、太阳能电池及相关设备至关重要。
引言
三氧化钼（MoO?）是一种宽带隙（约3电子伏特）的n型过渡金属氧化物，其电子和光学性质与其他过渡金属氧化物相似，结合其高化学稳定性、可调的导电性和优异的透明度，使其成为光电、能源和传感设备中薄膜应用的有希望的材料[[1], [2], [3], [4], [5]]。近年来，MoO?薄膜作为透明半导体层在电子和光电设备中引起了广泛关注，包括太阳能电池、光电探测器、气体传感器和电致变色“智能窗户”涂层[1,6]。此外，钼氧化物还表现出色致变色特性，如热致变色、光致变色和电致变色，进一步扩展了其在中红外应用中的潜力[7]。值得注意的是，MoO?可以用作高功函数的透明电极，或在光伏、有机太阳能电池和发光设备中作为空穴传输缓冲层，促进高效的电荷注入和提取[8]。其稳定性和可调的导电性进一步使其在晶体管、存储设备、传感器和催化剂中得到广泛应用[1]，突显了MoO?薄膜的科学和技术重要性。
MoO?的一个特别有前景的应用是与硅形成的异质结二极管中，其中MoO?作为n型半导体与p型Si接口。这种n-MoO?/p-Si结表现出强烈的整流行为，并显示出作为宽带光探测器的潜力[9]。例如，Talebi和Eshghi报告称，在p-Si上沉积约50纳米的MoO?层可产生具有高光响应比（在紫外光照下ILight/IDark约为55，在红外区域约为52）的光电二极管[9]，这表明MoO?/Si界面上的电荷分离效率很高。这些发现表明，基于MoO?的异质结能够检测到包括紫外、可见和红外在内的宽光谱范围的光，这对于集成光电传感器非常有利。此外，MoO?界面层已被用于通过利用其深功函数来提高硅基太阳能电池中的载流子选择性，从而增强电荷收集效率。这种丰富的应用前景激发了进一步研究MoO?薄膜性质以优化器件性能的兴趣。
在开发用于此类应用的MoO?薄膜时，一个关键挑战是通过制造过程控制其物理性质。MoO?的结构、相态和缺陷分布对沉积条件非常敏感[10]。喷雾热解是一种特别方便的沉积MoO?的技术，因为它可以在基底温度、前驱体溶液流速（喷雾速率）和溶液体积等参数上进行灵活调节。每个参数都可能显著影响薄膜的结晶度、形态和化学计量比[10]。例如，在喷雾沉积过程中提高基底温度可以将MoO?相从混合六方/正交相转变为纯正交α-MoO?，同时将带隙从约3.06电子伏特扩大到3.46电子伏特[10]。同样，引入掺杂剂或调整氧含量可以改变MoO?的电子结构；适度的银掺杂（约2–4%）已被证明可以缩小带隙并显著提高喷雾沉积MoO?的导电性[1]。这些研究表明，即使是一个生长参数或添加物的变化也可能极大地改变薄膜的结构和光电特性。然而，大多数先前的研究一次只改变一个因素，对多个沉积参数如何共同影响MoO?薄膜性质的综合理解仍然有限。
MoO?薄膜的结构和光学性质（如晶体相、缺陷浓度和形态）对沉积条件非常敏感。因此，要获得高效的n-MoO?/p-Si二极管所需的薄膜质量，必须仔细优化生长条件，包括基底温度、溶液体积和喷雾速率。在各种技术中，喷雾热解能够精确控制这些参数，从而系统地调节沉积动力学，提高薄膜结晶度，减少缺陷，并最终改善器件性能。在这项研究中，我们系统地研究了不同的喷雾热解条件如何影响MoO?薄膜的性质，旨在优化其结构和电学特性，以实现可靠的器件集成。
章节片段
薄膜制备
七钼酸铵（AHM），(NH?)?Mo?O??·4H?O，从Sigma-Aldrich购买并用作前驱体材料。每次沉积薄膜时，喷雾溶液中钼的摩尔浓度保持在0.1 M。前驱体溶解在去离子水中，充分搅拌后置于室温下约45分钟，直到获得适合喷雾的清澈均匀溶液。
喷雾热解过程在固定的几何条件下进行
X射线衍射分析
图3显示了在不同基底温度、溶液体积和喷雾速率下沉积的薄膜的XRD图案。对这些图像的研究证实，所有合成的薄膜都表现出明显的(020)、(040)和(060)衍射峰，表明沿[0k0]方向具有强纹理，这对应于沿[010]轴的优先取向[12]。这种排列源于正交α-MoO?的紧凑双层晶体结构[13]。
结论
在这项研究中，我们系统地改变了喷雾热解过程中的基底温度、喷雾溶液体积和喷雾速率。这种方法直接实现了我们优化高性能n-MoO?/p-Si二极管用MoO?薄膜的目标。通过同时探索这些参数，我们确定了一个最佳条件（基底温度约为400°C，溶液体积为15毫升，喷雾速率为10毫升/分钟），该条件产生了结晶度高、晶粒尺寸大、晶格应变小且光学性能优异的薄膜
CRediT作者贡献声明
M. Ataei：正式分析、研究。
M. R. Fadavieslam：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、概念化；监督、项目管理、方法论。
CRediT作者贡献声明
M. Ataei：撰写 – 原稿、资源准备、研究、正式分析、数据管理。
M.R. Fadavieslam：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、项目管理、研究、正式分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢斯图加特大学光伏研究所（ipv）所长Michael Saliba教授的慷慨支持，以及在他所在研究所进行部分研究的机会。他的团队的专业知识和指导对推进这项研究起到了重要作用。
