[논문 리뷰] Microscopic structure differences in CZTSe quaternary alloys prepared by different techniques revealed by spatially-resolved laser-induced-modification Raman spectroscopy

Qiong Chen, S. Bernardi외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 24.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films참고 문헌 12인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 스퍼터링 및 공증착을 통해 제작된 CZTSe 박막에서 공간 해상도가 높은 레이저 유도 변형 라만 분광법을 사용하여 숨겨진 미세 구조적 차이를 밝혀냈다. 기존의 전통적 기법으로는 유사한 거시적 성질을 보였지만, 레이저 조사 및 열적 응력에 대해 서로 다른 반응을 보이며, 나노스케일에서의 플라스틱 변형 및 열전도도의 차이가 있음을 시사한다. 이러한 특성은 옵티오일렉트로닉 성능에 핵심적이다.

ABSTRACT

While producing comparable efficiencies and showing similar properties when probed by conventional techniques, such as Raman, photoluminescence and X-ray diffraction, two thin film solar cell materials with complex structures, such as quaternary compound CZTSe, may in fact differ significantly in their microscopic structures. In this work, laser induced modification Raman spectroscopy, coupled with high spatial resolution and high temperature capability, is demonstrated as an effective tool to obtain important structure information beyond that the conventional characterization techniques can offer, and thus to reveal the microscopic scale variations between nominally similar alloys. Specifically, CZTSe films prepared by sputtering and co-evaporation methods that exhibited similar Raman and XRD features were found to behave very differently under high laser power and high temperature Raman probe, because the differences in their microscopic structures lead to different structure modifications in response to the external stimuli, such as light illumination and temperature. They were also shown to undergo different degree of plastic changes and have different thermal conductivities as revealed by spatially-resolved Raman spectroscopy.

연구 동기 및 목표

• 다른 방법으로 제조된 동일한 CZTSe 4원계 합금의 미세 구조적 변동성을 규명하기 위해.
• 미세한 구조적 차이를 탐지하는 데에 한계가 있는 전통적 특성 분석 기법의 한계를 극복하기 위해.
• 외부 자극(예: 레이저 조사 및 온도 변화)에 대한 구조적 이질성이 재료의 반응에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 외부 응력 하에서의 구조적 거동를 열전도도 및 플라스틱 변형과 같은 내재된 물리적 성질과 연관지기 위해.

제안 방법

• 고공간 해상도 및 고온 해상도를 갖춘 공간 해상도가 높은 레이저 유도 변형 라만 분광법을 적용하였다.
• 구조적 안정성과 반응성을 탐사하기 위해 고강도 레이저 및 고온 조건을 적용하였다.
• 스퍼터링 및 공증착 CZTSe 박막 간 동일 조건에서의 라만 스펙트럼 변화를 비교 분석하였다.
• 라만 피크 이동 및 피크 폭 증가를 분석하여 구조적 변형 및 응력 분포를 추론하였다.
• 라만 시프트 변화로부터 열지도를 작성하여 국소적 열전도도의 차이를 추정하였다.
• 기존의 XRD 및 광발광 측정과의 대조를 통해 거시적 유사성을 확인함으로써 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스퍼터링 및 공증착으로 제조된 CZTSe 박막은 거시적 성질이 유사함에도 불구하고, 미세 구조적으로 어떻게 다를까?
• RQ2 고강도 레이저 및 고온 조건에서 이러한 박막은 어떤 구조적 반응을 보이는가?
• RQ3 플라스틱 변형 및 열전도도의 차이가 옵티오일렉트로닉 성능에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 레이저 유도 변형 라만 분광법은 기존 기법으로는 탐지할 수 없는 구조적 이질성을 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 스퍼터링 및 공증착 CZTSe 박막은 기존 분석 기법으로는 동일한 라만 및 XRD 패턴을 나타내어 거시적 유사성을 확인하였다.
• 고강도 레이저 및 고온 조건에서 스퍼터링 박막은 더 큰 구조적 변형을 보였으며, 결함 생성에 더 취약함을 시사하였다.
• 공증착 박막은 열적 안정성이 뛰어나, 피크 이동 및 피크 폭 증가가 적어 더 우수한 구조적 안정성을 보였다.
• 공간 해상도가 높은 라만 맵핑을 통해 서로 다른 열전도도 프로파일이 드러났으며, 공증착 박막은 더 균일한 열산란 특성을 보였다.
• 레이저 응력 하에서 스퍼터링 박막은 복구 불가능한 라만 피크 이동을 통해 더 높은 플라스틱 변형을 보였다.
• 레이저 유도 변형 라만 분광법은 기존 표준 기법으로는 탐지하지 못한 나노스케일의 구조적 차이를 성공적으로 드러냈다.