氧化锡（SnO2）薄膜具备透光率高（约90%）、禁带宽度大（约3.62eV）、化学稳定性优异等优势，目前已得到广泛研究，成功应用于气体传感、功能玻璃、场效应晶体管、催化等多个领域，尤其在光伏、显示等光电器件领域展现出极高的研究与应用价值。原子层沉积（ALD）凭借独特的自限制反应特性与原子级精准调控能力，在制备均匀性好、高品质的SnO2薄膜方面具备显著优势。但通过ALD工艺制备的SnO2薄膜大多为非晶结构，普遍存在电子迁移率较低的问题，极大限制了其在场效应晶体管沟道层、器件导电层中的应用。目前，提升ALD法SnO2薄膜电子迁移率的主流思路，是通过高温沉积或后期退火处理改善薄膜结晶度。然而钙钛矿等基底对温度高度敏感，高温处理易导致其结构破损、功能退化。因此，开发低温改性技术以优化SnO2薄膜光电性能，具有十分迫切的现实研究价值与应用需求。
针对上述问题，本研究创新性地采用双氧源作为共反应物沉积SnO2薄膜，系统探究了氧源种类及气体通入顺序对薄膜结构与光电性能的影响。本研究涉及的不同ALD工艺原理示意图如图1所示:
本研究基于不同氧源共反应体系完成了SnO₂薄膜的沉积制备，并对各组薄膜样品的光电性能开展系统测试与表征，对应的测试结果如图2所示:
测试结果表明，采用H2O/O3作为共反应物沉积的SnO2薄膜展现出最优的电学性能：在230 ℃低温沉积条件下，薄膜电子迁移率可达22 cm2·V-1·s-1；即使在190 ℃更低温度环境下，迁移率仍能维持12.64 cm2·V-1·s-1的较高水平。与此同时，基于该工艺制备的SnO2薄膜所构筑的TFT器件同样表现出优异的电学特性。那么，为什么不同氧源作为共反应沉积的氧化锡薄膜会表现出如此大的性能差距呢?其主要原因就是羟基这个官能团“从中作祟”。本研究通过XPS和傅里叶红外测试探测了SnO2薄膜的羟基含量，表现如图3所示：
多项测试结果共同证实，四组薄膜样品的表面羟基含量存在显著差异，羟基信号强度由高至低排序依次为：H2O、O3/H2O、H2O/O3、O3。其内在机理可通过不同氧源体系的表面反应行为加以解释：在单一水基反应体系中，水分子吸附于基底表面并发生解离，生成羟基、氢等活性基团；后续通入的TDMASn前驱体可与部分表面羟基发生反应，但仍有大量羟基无法完全消耗，最终残留于薄膜界面处。而在臭氧参与的反应体系中，臭氧分子可对基底表面进行修饰，形成氧端基界面，从根源上避免羟基的吸附与生成；TDMASn前驱体可与表面氧基团发生反应，但反应过程存在不完全转化现象，致使少量氧基团残留在基底表面。双气源交替通入模式则会引发差异化的表面界面转化行为：在H2O/O3工艺中，后续通入的臭氧可将水反应生成的锡-羟基中间体进一步转化为稳定的Sn-O键；而在O3/H2O工艺中，二次通入的水分子会逆向将臭氧生成的Sn-O键重新转化为锡-羟基基团，改变薄膜界面结构与组分。
而羟基含量的不同又是如何影响薄膜的电学性能呢，这涉及到我们的“老朋友” -氧空位（VO），或者更深一步说缺陷。研究借助光谱椭偏（SE）系统研究了ALD SnO2薄膜的浅能级与深能级缺陷，对应结果如图4所示：
缺陷表征结果表明，四组样品中，单一水作为氧源制备的SnO2薄膜深能级缺陷密度最低。对于非晶SnO2薄膜而言，深能级缺陷主要由氧空位引发，由此说明水作为氧源制备的SnO2薄膜的氧空位缺陷数量最少，对应最低的载流子浓度，这与前面的XPS测试和霍尔测试结果相符。依据非晶半导体渗流理论，该类低载流子浓度的非晶薄膜通常具备偏低的载流子迁移率。而相较于纯水反应体系，引入臭氧共反应后，薄膜深能级缺陷占比由29.3%提升至50.6%。究其原因，水基反应可生成大量羟基基团，此类基团可优先占据SnO2本征氧空位位点，有效降低晶格内部氧空位密度。由于氧空位是SnO2薄膜深能级缺陷态的核心来源，臭氧的引入大幅减少了表面羟基数量，无法有效填补氧空位，最终导致薄膜深能级缺陷占比显著提升。而相较于纯臭氧沉积工艺，H2O/O3混合体系的薄膜浅能级缺陷占比由26.5%提升至49.4%。水分子引入的适量羟基可从两方面优化薄膜缺陷结构：一方面有效抑制氧空位的生成，减少深能级缺陷；另一方面羟基解离可释放氢原子，在薄膜内部形成间隙氢（Hᵢ）缺陷。间隙氢作为SnO2的本征浅能级缺陷，是高效的自由电子施主中心，能够显著提升薄膜载流子浓度。这一结果充分证明，薄膜内部适量的羟基基团可有效调控缺陷结构，显著优化SnO2薄膜的电学性能。
本研究创新性开发了混合双氧源协同调控的高性能SnO2薄膜低温沉积策略，并系统验证了该工艺的可行性与优越性。该技术方案可有效突破传统高温工艺的应用局限，拓宽SnO2光电器件的应用场景，同时也为各类透明导电氧化物薄膜的低温高质量制备提供了全新的参考思路与技术借鉴。相关成果以“Enhanced Electron Transport in Low-Temperature ALD SnO2 through Hydroxyl Defect Engineering”为题发表在国际著名期刊Applied Physics Letters（https://doi.org/10.1063/5.0347353）。华中科技大学机械学院博士杨庚为第一作者，华中科技大学机械科学与工程学院的陈蓉教授和机械科学与工程学院的杨帆副研究员为论文的共同通讯作者，华中科技大学材料学院单斌教授以及机械学院蒋雪微博士、从众博士、戴子奥硕士和徐彦硕士共同参与了该项研究工作。
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