阴阳离子共掺杂ZnO透明导电薄膜的研究进展
发布时间：2021-03-21 11:15
ZnO基透明导电薄膜具有成本低、环境友好、抗辐射能力强、对H等离子体耐受性好等优点,是金属氧化物半导体研究领域的一个极为重要的方向.目前,无论阳离子还是阴离子单独掺杂的ZnO透明导电薄膜在电导率、可见光透过率和热稳定性等方面依然不能完全满足光电器件的要求,为此人们开展了阴阳离子共掺杂ZnO薄膜光电性质的研究工作,取得了良好的效果.本文从理论和实验研究两方面,总结了阴阳离子共掺杂ZnO透明导电薄膜的最新研究成果,系统阐述了阴阳离子对ZnO薄膜的光学、电学和热稳定性的影响规律,分析了阴阳离子共掺杂ZnO研究所面临的问题和挑战,为相关领域的研究和发展提供借鉴和参考.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(25)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
(网络版彩色)GFZO薄膜的电阻率随溅射功率和气压强度的变化关系.(a)溅射功率;(b)气体压强[43]
(网络版彩色)GFZO薄膜光电性质随Ga/F掺杂比例的变化关系[45].(a)紫外-可见光(UV-Vis)透过率;(b)光学带隙Eg;(c)电学参数
最近,本课题组[33]研究了F分别与Al、Ga、In共掺杂ZnO的能带结构和缺陷形成能.对比F与IIIA族元素比例分别为1:1,1:2和2:1的情况下,施主能级相对导带底的位置变化,从而推断F与IIIA族元素共掺杂ZnO导电性的差异.我们首先确定了F与Al、Ga、In共掺杂ZnO的能量最稳定结构,如图2(a,b)所示.结果表明,Al-F共掺杂ZnO中掺杂离子的空间分布弥散性最高,Ga-F共掺杂ZnO中掺杂离子的空间分布弥散性次之In-F共掺杂ZnO的掺杂离子的空间分布弥散性最低.更重要的是,与单掺杂ZnO相比,F和Al、Ga、In共掺杂ZnO中施主能级位置更靠近导带底.当Al-F共掺杂ZnO中F和Al掺杂比例为1:2时,施主离化能最低;Ga-F共掺杂ZnO中F和Ga掺杂比例为1:1时,施主离化能最低;而In-F共掺杂ZnO中F和In掺杂比例为1:2时,施主离化能最低,如图(c)所示.在态密度图中,与单掺杂相比,F-Al/Ga共掺杂中,Al/Ga的引入可以使F 2p态分布变得离域,促进了ZnO导电能力的提高.与之相反,F-In共掺杂ZnO中,F 2p与In 5s,5p轨道间发生强烈的杂化,导致In5s能态局域在带隙中间,因此不利于其导电能力的提高,如图2(d)所示.该研究阐明了F和IIIA族金属元素掺杂ZnO导电能力随掺杂元素比例的变化规律,为获得高性能的透明导电ZnO材料提供了新思路.图2(网络版彩色)Al/Ga/In与F离子共掺杂ZnO的理论模拟研究.(a)Al/Ga/In-F共掺杂的稳定结构;(b)2Al/2Ga/2In-F共掺杂的稳定结构;(c)Al/Ga/In-F不同掺杂比例所对应跃迁能级的示意图;(d)不同掺杂方式下ZnO所对应的态密度[33]
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光分子束外延法制备氟铝共掺氧化锌薄膜及其物性研究[J]. 马剑钢,林东. 物理实验. 2016(09)
[2]Ga-F共掺杂ZnO导电性和透射率的第一性原理计算[J]. 何静芳,吴一,史茹倩,周鹏力,郑树凯. 无机化学学报. 2015(01)
本文编号：3092768
【文章来源】：科学通报. 2020,65(25)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
(网络版彩色)GFZO薄膜的电阻率随溅射功率和气压强度的变化关系.(a)溅射功率;(b)气体压强[43]
(网络版彩色)GFZO薄膜光电性质随Ga/F掺杂比例的变化关系[45].(a)紫外-可见光(UV-Vis)透过率;(b)光学带隙Eg;(c)电学参数
最近,本课题组[33]研究了F分别与Al、Ga、In共掺杂ZnO的能带结构和缺陷形成能.对比F与IIIA族元素比例分别为1:1,1:2和2:1的情况下,施主能级相对导带底的位置变化,从而推断F与IIIA族元素共掺杂ZnO导电性的差异.我们首先确定了F与Al、Ga、In共掺杂ZnO的能量最稳定结构,如图2(a,b)所示.结果表明,Al-F共掺杂ZnO中掺杂离子的空间分布弥散性最高,Ga-F共掺杂ZnO中掺杂离子的空间分布弥散性次之In-F共掺杂ZnO的掺杂离子的空间分布弥散性最低.更重要的是,与单掺杂ZnO相比,F和Al、Ga、In共掺杂ZnO中施主能级位置更靠近导带底.当Al-F共掺杂ZnO中F和Al掺杂比例为1:2时,施主离化能最低;Ga-F共掺杂ZnO中F和Ga掺杂比例为1:1时,施主离化能最低;而In-F共掺杂ZnO中F和In掺杂比例为1:2时,施主离化能最低,如图(c)所示.在态密度图中,与单掺杂相比,F-Al/Ga共掺杂中,Al/Ga的引入可以使F 2p态分布变得离域,促进了ZnO导电能力的提高.与之相反,F-In共掺杂ZnO中,F 2p与In 5s,5p轨道间发生强烈的杂化,导致In5s能态局域在带隙中间,因此不利于其导电能力的提高,如图2(d)所示.该研究阐明了F和IIIA族金属元素掺杂ZnO导电能力随掺杂元素比例的变化规律,为获得高性能的透明导电ZnO材料提供了新思路.图2(网络版彩色)Al/Ga/In与F离子共掺杂ZnO的理论模拟研究.(a)Al/Ga/In-F共掺杂的稳定结构;(b)2Al/2Ga/2In-F共掺杂的稳定结构;(c)Al/Ga/In-F不同掺杂比例所对应跃迁能级的示意图;(d)不同掺杂方式下ZnO所对应的态密度[33]
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光分子束外延法制备氟铝共掺氧化锌薄膜及其物性研究[J]. 马剑钢,林东. 物理实验. 2016(09)
[2]Ga-F共掺杂ZnO导电性和透射率的第一性原理计算[J]. 何静芳,吴一,史茹倩,周鹏力,郑树凯. 无机化学学报. 2015(01)
本文编号：3092768
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