硫化铟薄膜材料的拉曼光谱研究

介绍
      硫化铟（In₂S₃ ）^[1]是一种具有极高潜在利用价值的半导体材料，可作为CIGS薄膜太阳能电池的缓冲层材料，并有望作为Cds缓冲层的替代材料，在光伏与光电器件上有很好的应用前景。 In₂S₃在常温常压下比较稳定，属于立方晶系，具有四面体和八面体的空间结构，并存在高密度的In空位。 一般存在α、β、r 3种相，常温下稳定的为β 相。
In₂S₃内含有大量的In空位，这个特点使掺杂的金属原子容易进入In空位并与周围的原子成键，进而表现出特定的光学、电学及磁学特性。目前，针对In₂S₃薄膜的研究主要集中在材料的制备以及光电性能的测试与分析方面。但对于In₂S₃掺杂改性的研究报道较少。

实验
      拉曼光谱技术是一种无损伤、灵敏度高、操作简捷的测试手段，通过拉曼光谱表征掺杂前后In₂S₃薄膜的拉曼特征峰频移情况，可以对其掺杂机理进行分析与讨论，阐述掺杂对薄膜晶体结构的影响。

      试验设备：显微共聚焦拉曼光谱仪系统 Finder Vista、Andor  iDus416 CCD探测器；激光器波长为532nm；光谱仪参数：500焦距，600g/mm；扫描目镜 100X。

     图中（a）为 In₂S₃的拉曼光谱图，退火温度300℃；（b）为铜掺杂的In₂S₃的拉曼光谱图，退火温度300℃；（c）为铜掺杂的In₂S₃的拉曼光谱图，退火温度250℃。

拉曼光谱分析
      从图中发可以看出304 cm^-1、930 cm^-1波数处的特征峰随着掺杂发生红移。300 cm^-1的拉曼特征峰代表 In₂S₃四面体结构 振动模式。这说明 In₂S₃四面体结构的 振动键长增大， In₂S₃薄膜内四面体结局部空间结构膨胀。

      拉曼谱线红移的原因可以解释为晶格膨胀后，原子间距增大，晶格处于相对松弛状态，因此，振动频率降低。对于Cu掺入 In₂S₃机理，可能存在Cu掺入In空位或者掺入 In₂S₃晶格间隙的两种情况。Cu间隙掺杂后增大晶粒尺寸，导致晶格出现松弛，反应在拉曼谱上就是304 cm^-1、930 cm^-1峰位出现红移。由于Cu离子半径小于In离子半径，因此，可以通过晶格膨胀引起拉曼红移的现象，确认Cu掺杂后必定存在间隙掺杂的现象，这是薄膜缺陷程度增加的主要原因，而这也是XRD测试结果无法证实的。

结论
      本文通过分析304 cm-1、930 cm-1处拉曼峰位的红移进一步证实了Cu掺杂后薄膜晶粒尺寸增大，
通过缺陷程度的变化证明了Cu掺入 晶格间隙的掺杂机理。

      激光显微共聚焦拉曼光谱技术是一种无损伤、无接触、灵敏度高的检测手段，通过晶体的拉曼光
谱可以了解晶格内部有关化学键、晶格程度、晶格畸变以及相变等信息，为薄膜在太阳能电池、导
电材料、光电器件、催化、传感等领域的应用提供理论指导与实验依据。