二氧化锡薄膜的结构和光电性质研究

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SnO2薄膜具有透明导电的特性,作为透明电极材料被广泛应用于太阳能电池、平板显示器、除冰除雾玻璃等方面。另一方面,SnO2薄膜由于具有气敏、压敏及热敏方面的性能,在传感器方面也有着很广泛的应用。作为直接带隙宽禁带半导体材料,SnO2具有较高的激子结合能(130meV),被认为是制备紫外光电器件的理想候选材料。本文通过射频磁控溅射法,制备了未掺杂以及掺杂(掺杂元素为Mg或Al)的SnO2多晶薄膜。通过改变溅射时的基片温度、氧分压等参数,得到了不同系列的SnO2薄膜。我们对不同条件下制备的薄膜的晶体结构、表面形貌以及光电性质进行了仔细的研究,分析了溅射条件对薄膜结构和光电性质的影响。文中对在较大温度范围内的SnO2薄膜电子输运性质进行了较为全面系统的研究,从高温(~380K)到低温(~2K)依次观察到了热激活、最近邻跃迁、Mott变程跃迁以及ES变程跃迁导电过程。热激活温区的电子激活能约为30meV或100meV,与SnO2中氧空位形成的施主能级位置相符,表明氧空位是SnO2本征n型导电性中载流子的主要来源。样品在80K以下转变为变程跃迁导电。样品中的无序度,Mott到ES变程跃迁的转变温度,以及费米能级处的态密度(不考虑电子相互作用)都随制备时的氧分压的增加而上升。在样品结构方面的研究表明,通过控制溅射气体中氧气的含量,可以有效改变SnO2薄膜的择优取向、晶粒大小及表面形貌。在未掺杂的SnO2薄膜中,随氧分压的上升,薄膜依次出现(001)、(100)、(101)和(211)择优生长方向,(001)和(100)取向的晶粒为四方形底面的金字塔形,(101)取向的晶粒为碎石子形,(211)取向的晶粒为三角形底面的金字塔形。随氧分压上升,晶粒尺寸逐渐变小,薄膜表面的粗糙度下降。掺杂后的SnO2薄膜随氧分压的增加择优取向发生从(101)方向到(301)方向的转变,当氧分压高于10%薄膜均沿(301)方向取向生长。适当提高氧分压、基片温度和溅射功率的均有助于薄膜的结晶和取向生长。在光学方面,随氧分压上升,SnO2薄膜在可见光区的透明度上升,光学带隙增加。掺杂Mg或Al元素后,SnO2薄膜在可见光区的平均透射率得到了提高,光学带隙也明显增加。
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