二氧化锡（SnO₂）凭借其优异的光学和电学性能，已成为能源转换、电子器件和环境监测等领域材料科学的前沿明星。要实现SnO₂在电子传输层、催化剂和透明导体中的高性能应用，关键在于精准调控其“缺陷化学”——包括空位、杂质掺杂和表面状态等原子级结构特征。而研究材料的电子结构，则需要一套完整的、能够进行深度解析和原位关联的表征工具。
对此，索邦大学巴黎纳米科学研究所联合广东以色列理工学院的研究人员，为阐明生长温度、缺陷化学和电子结构之间的相互作用，在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了一项突破性研究。[1]该工作以四（二甲基氨基）锡（TDMASn）作为前驱体，通过原子层沉积（ALD）技术制备SnO₂薄膜，首次揭示了SnO2薄膜的电荷传输及催化性能不仅受带隙的影响，同时也会受到缺陷诱导的电子重构的显著影响。此外，该工作还探究了ALD制备SnO2薄膜时，不同沉积温度是如何通过缺陷化学，精准操控SnO₂的电子结构与电荷传输行为。
利用XPS对ALD不同沉积温度下制备的SnO2薄膜进行表征，结果表明：较低的沉积温度会造成前驱体分解或缩合不完全的情况，导致残余有机配体仍与Sn结合，阻碍电荷传输；反之，较高的沉积温度则有助于配体分解和高效氧化，降低杂质含量并提高晶体质量。XPS结果还显示，当沉积温度为150 °C时，可实现最佳平衡，但在200 °C时则会重新出现Sn2+物种。
图1. 不同ALD沉积温度下的SnO2表面XPS精细谱：（a）N 1s；（b）Sn 3d。
此外，借助同时搭载UPS与LEIPS功能配件的PHI XPS设备，在同一超高真空腔室内，通过原位XPS、UPS与LEIPS，实现了对SnO₂薄膜完整电子结构的精准表征，结果如图2所示。首先，通过UPS获取材料的价带顶（EVB）和功函数（WF）；其次，利用LEIPS确定导带底（ECB）和电子亲和能（EA），从而构建了完整能级图（见图3）。
UPS结果显示，在沉积温度为50 ℃时，SnO2薄膜呈现无序的价带结构，且功函数为4.28 eV。结合LEIPS测试观察到其电子亲和势的数值有所增大，证明导带底（0.84 eV）可能发生了向下移动。而随着沉积温度的升高，导带底逐渐上移，主要归因于深层施主型缺陷态的主导作用，这些缺陷态由于氧空位和未氧化的Sn中心的积累而推动导带底向上。对比测试结果，沉积温度为150 °C制备的薄膜拥有相对较大的功函数（4.56 eV），实现更好的氧化动力学，而在200 °C时过多的热能破坏了氧化与配体消除之间的最佳平衡，从而导致内在缺陷增加。
图2. 不同ALD沉积温度下的SnO2表面UPS及LEIPS谱图。
UPS结合LEIPS揭示了“温度—缺陷—电子结构—性能”间的构效关系，即通过沉积温度调控缺陷化学（杂质残留、氧空位、氢掺入及物种），重塑薄膜的电子结构与电荷传输行为，进而决定其催化与电学性能。研究表明，低温区（50–100 °C），前驱体分解与配体交换不充分导致薄膜富氧、杂质与缺陷密集，虽表面电子发射活跃，但无序结构严重阻碍体相电荷传输；中温区（150 °C），缺陷部分修复、晶体质量提升，氧化动力学达到最优，但扩散引入的陷阱态抬高了功函数与表面势垒；高温区（200 °C），过多热能破坏氧化与配体消除的平衡，氧空位与重新出现，体相注入势垒降低而表面电子活性明显削弱。相比之下，在100 °C下生长的薄膜在缺陷密度与能带结构之间达到了最佳平衡，使其成为催化及电子应用（如HER）的优选材料。
图3. 由图2中的UPS和LEIPS谱图得到的在各沉积温度下的SnO2薄膜的能带排列图。
该研究既深化了对ALD SnO₂生长机制的理解，又为性能的精准调控提供了可行策略。这一成果得益于XPS/UPS/LEIPS集成系统所揭示的表面化学与电子结构信息，为开发下一代高性能SnO₂基器件（如高效太阳能电池、灵敏气体传感器、绿色制氢催化剂）提供了坚实的科学基础与技术蓝图。
参考文献
[1] Xia B.; et al. Defect Chemistry Engineered SnO2 Thin Films via Thermal ALD: Unraveling Defect-Controlled Electronic Structure for Charge Transport. ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, https://doi.org/10.1021/acsami.5c11778.
