Elektrische und optische Eigenschaften von Nb-dotierten SrSnO3-Epitaxiefilmen, die durch gepulste Laserabscheidung abgeschieden wurden

Hintergrund

Transparente leitende Oxide (TCO) sind außergewöhnliche Materialien, die sowohl einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand als auch eine hohe optische Transparenz aufweisen. Die Kombination der beiden wesentlichen Merkmale macht TCO zu Schlüsselmaterialien für breite Anwendungen in optoelektronischen Geräten, wie zum Beispiel pn Übergänge, Feldeffekttransistoren und Solarzellen [1,2,3,4,5,6,7]. Als typisches TCO-Material ist Sn-dotiertes In₂ O₃ ist aufgrund seiner hohen Transmission von mehr als 90 % im sichtbaren Spektralbereich und seiner hervorragenden Leitfähigkeit von 1 × 10 ⁴ . weit verbreitet S/cm [8]. Andere bekannte TCOs, einschließlich Al-dotiertes ZnO [9, 10] und Sb-dotiertes SnO₂ [11] sind ebenfalls von Interesse. Diese recht leistungsstarken Leitfähigkeitseigenschaften korrelieren mit der speziellen elektronischen Struktur, bei der das Leitungsband aus delokalisierten metallischen s besteht Orbitale, was zu einer geringen effektiven Elektronenmasse und einer hohen Dispersion führt. Bei einem gegebenen Material können eine geringe effektive Masse und eine hohe Dispersion zu einer hohen elektrischen Leitfähigkeit führen. Diese binären Oxide haben jedoch ihre eigenen Beschränkungen, wie die thermische und chemische Instabilität, die Verschlechterungsprobleme für den Betrieb oxidelektronischer Anwendungen verursacht. Daher gibt es viele Bemühungen, alternative Materialien mit zufriedenstellender Leistung zu finden, um die Schwächen von binären Oxiden zu kompensieren. Es wurde entdeckt, dass Materialien mit der Perowskitstruktur außergewöhnliche physikalische Eigenschaften aufweisen, wie Supraleitfähigkeit [12], Multiferroizität [13] und kolossaler Magnetowiderstand [14]. Im Vergleich zu herkömmlichen binären TCOs weisen sie eine bessere strukturelle Stabilität auf und können flexibler in der chemischen Modifikation sein, was ihre physikalischen Eigenschaften verbessern oder zur Realisierung der neuen Funktionalitäten beitragen kann.

Erdalkalistannate A SnO₃ (A =Ca, Sr und Ba) sind aufgrund ihrer faszinierenden dielektrischen Eigenschaften und Anwendungen wie in thermisch stabilen Kondensatoren von großem Interesse [15,16,17]. In letzter Zeit haben diese Perowskite auch als neue TCO-Filme aufgrund der einzigartigen Eigenschaften hoher optischer Transparenz und hoher Ladungsträgermobilität große Aufmerksamkeit erregt [18,19,20,21,22]. Ihre Valenzbänder bestehen hauptsächlich aus O 2p Orbitale und die Leitungsbänder werden größtenteils von Sn 5s . beigesteuert Orbitale oberhalb des Fermi-Niveaus, wodurch große Bandlücken entstehen [23]. Die kleinen effektiven Elektronenmassen, also gute elektrische Leitfähigkeit von A SnO₃ kann der großen Größe von Sn zugeschrieben werden, die der Leitungsbandkante mit antibindendem s verleiht Zeichen [23]. Unter A SnO₃ , SrSnO₃ (SSO) zeigt das Halbleiterverhalten mit der Bandlücke von 4,1 eV und hat eine orthorhombische Struktur mit den Gitterkonstanten von a =5,708 Å, b =5,703 Å und c =8,065 Å [24]. Die reinen SSO-Filme sind nicht leitfähig. Um die Leitfähigkeit von SSO-Filmen weiter zu verbessern, wurden viele Elemente ausgewählt, um SSO-Filme zu dotieren, um Ladungsträger zu erzeugen, indem die A-Stelle oder B-Stelle ersetzt werden, wie La für Sr-Stellen [25] und Ta für Sn-Stellen [26]. Die Auswahl des geeigneten Dotierelements und der geeigneten Dotierstoffkonzentration ist entscheidend, um Hochleistungs-TCO-Filme sowie optimierte Wachstumsbedingungen zu erhalten. Das Nb-Element wird oft verwendet, um TCO-Filme teilweise zu ersetzen, da im Materialsystem tendenziell mehr Ladungsträger erzeugt werden, die von dem hohen Wertigkeitszustand Nb ⁵⁺ . profitieren kationen. Tatsächlich wurde die hohe Ladungsdichte, die durch die Einführung von Nb-Ionen erzeugt wird, gemäß den experimentellen und ersten Berechnungsergebnissen demonstriert. Zum Beispiel Nb-dotiertes TiO₂ Filme zeigten einen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von nur 2 × 10 ^–4 Ωcm [27] und Nb-dotierte ZnO-Filme zeigten den niedrigsten spezifischen Widerstand von 8,95 × 10 ^-4 cm [28]. Aus der Sicht der intrinsischen Physik und der Grundlagenforschung werden die Nb-Donatoren ein Elektron an das Leitungsband von SSO abgeben, da die Sn-Ionen aufgrund der ähnlichen Ionenradien von Nb ⁵⁺ . durch Nb ersetzt werden (0,64 Å) und Sn ⁴⁺ (0,69  Å) und führt zu einer verbesserten Leitfähigkeit in elektronendotierten SSO-Filmen. Andererseits können die physikalischen Eigenschaften von TCO-Filmen auch unter verschiedenen Abscheidungssauerstoffdrücken und -temperaturen während des Filmwachstums eingestellt werden. Transportleistungen von BaSnO₃ (BSO) [29], LaNiO₃ [30] und SrTiO₃ Filme [31] und das magnetische Verhalten der Gd-dotierten ZnO-Filme [32, 33] zeigten früher eine Empfindlichkeit gegenüber dem Sauerstoffdruck. La-dotierte SSO-Filme und Nd-dotierte BSO-Filme zeigten ebenfalls eine bemerkenswerte Korrelation zwischen den elektrischen Eigenschaften und der Abscheidungstemperatur [20, 34]. Um die physikalischen Eigenschaften besser zu kontrollieren und qualitativ hochwertige Dünnschichten für die Untersuchung zu erhalten, ist es von großer Bedeutung, die Auswirkungen dieser wichtigen Abscheidungsbedingungen auf die Dünnschichten zu untersuchen. Bisherige Berichte über die Auswirkungen von Sauerstoffdruck und Substrattemperatur auf die strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften von SSO-Dünnfilmen sind jedoch sehr begrenzt. Daher konzentrieren wir uns auf diesen Aspekt dieser Arbeit. Eine Reihe von Nb-dotierten SSO-Filmen wurde durch gepulste Laserabscheidung (PLD) hergestellt. Um eine Beeinflussung der Transmissionsmessungen der Folien zu vermeiden, wird das LaAlO₃ Einkristallsubstrate mit einer breiten Bandlücke von 5,5 eV wurden verwendet, um die Dünnschichten abzuscheiden. Der Sauerstoffdruck während des Wachstums variiert von 1 × 10 ^–3 bis 20 Pa und die Substrattemperatur von 660 bis 820 °C. Die Struktur, die elektrischen und optischen Eigenschaften der Filme wurden im Detail untersucht.

Methoden

Sr(Sn_0,95 Nb_0,05 )O₃ (SSNO)-Target wurde durch Festkörperreaktionen unter Verwendung von hochreinem SrCO₃ . hergestellt , SnO₂ , und Nb₂ O₅ als Rohstoffe, wobei die Sinterendtemperatur für 10 h auf 1520 °C gehalten wird. Zwei Gruppen epitaktischer SSNO-Dünnschichten (A und B) wurden auf LaAlO₃ . gezüchtet (001) [LAO(001)]-Substrate durch PLD unter Verwendung eines 248 nm KrF-Excimerlasers zum Abtragen des SSNO-Targets mit einer Wiederholungsrate von 3 Hz. Die Laserenergiedichte auf der rotierenden Oberfläche des Targets betrug etwa 1,8 J/cm ² . , und der Abstand zwischen Substrat und Ziel wurde bei 55 mm gehalten. Proben der Gruppe A wurden zuerst hergestellt, um den spezifischen Widerstand bei variierendem Sauerstoffdruck von 1 × 10 ^–3 . zu optimieren auf 20 Pa, während die Substrattemperatur konstant auf 780 °C gehalten wird. Basierend auf dem optimierten Sauerstoffdruck wurden dann Filme der Gruppe B bei unterschiedlichen Substrattemperaturen zwischen 660 und 820 °C abgeschieden, um die optimalen Wachstumsbedingungen weiter zu untersuchen. Vor dem Einströmen von reinem Sauerstoff betrug der Basisdruck der Kammer 1 × 10 ^–4 Pa. Nach der Abscheidung wurden alle Filme in situ 15 min lang getempert, bevor sie in derselben Sauerstoffumgebung abgekühlt wurden. Die Filmstrukturen wurden mit hochauflösender Röntgenbeugung (XRD) des Diffraktometers Empyrea PANalytical mit einem Cu Kα . charakterisiert ₁ Quelle (λ =1,5406 Å). Beugung in der Ebene und außerhalb der Ebene 2θ -ω Scans und φ Scans wurden durchgeführt, um das epitaktische Wachstum zu bestimmen. ω Scans wurden durchgeführt, um die Kristallinität der Filme zu bestätigen, und reziproke Raumabbildungen (RSMs) wurden verwendet, um den Spannungszustand zu untersuchen. Die Wachstumsraten der Filme wurden unter Verwendung des Röntgenreflexionsvermögens abgeschätzt und die Dicke jedes abgeschiedenen Films wurde auf 230  nm kontrolliert. Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS, Thermo, escalab 250XI) wurde verwendet, um die Valenzzustände der Elemente zu analysieren. Hall-Effekt-Messungen wurden unter Verwendung der Van-der-Pauw-Geometrie auf einem Ecopia HMS-3000-System bei Raumtemperatur durchgeführt. Kurven der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands für die Filme wurden im Temperaturbereich von 300 bis 30 K unter Verwendung des Standardverfahrens mit vier Anschlüssen mit einem Keithley 2400 Source Meter erhalten. Die optische Transmission im Wellenlängenbereich von 200-1800  nm wurde mit einem UV-Vis-Spektrometer (Lambda 950, Perkin Elmer, USA) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a und b zeigen die 2θ -ω lineare Scans der SSNO-Filme mit verschiedenen Sauerstoffdrücken, die auf einkristallinen LAO(001)-Substraten entlang (002) bzw. (101) Orientierungen aufgewachsen sind. Bei einer Substrattemperatur von 780 °C wurden die Filme in Gruppe A unter 1 × 10 ^–3 . hergestellt , 0,03, 0,2, 5 und 20 Pa, wie angegeben. Nur die (002)- und (101)-Reflexionspeaks können beobachtet werden, was darauf hinweist, dass in den Filmen keine andere Verunreinigungsphase vorhanden ist. Es kann weiter durch das weitreichende XRD 2θ . nachgewiesen werden -ω Scan des bei 20 Pa und 780 °C hergestellten Films als Repräsentant, wie in Abb. S1 gezeigt. Um den Einfluss von Nb-Dotierstoffen auf die Struktureigenschaften zu untersuchen, ist in Abb. S1 auch das XRD-Ergebnis des SSO-Films mit den gleichen Wachstumsbedingungen dargestellt. Es wird beobachtet, dass die (00 l ) Spitzen des SSNO-Films bewegen sich zu höheren 2θ Winkel im Vergleich zu denen des SSO-Films, was auf den Unterschied in den Ionenradien von Nb ⁵⁺ . zurückzuführen ist (0,64 Å) und Sn ⁴⁺ (0,69 Å). Mit abnehmendem Abscheidungssauerstoffdruck in Gruppe A bewegen sich die Beugungspeaks zu niedrigeren 2θ Winkel allmählich, was zu einer Zunahme der Gitterparameter und des Zellvolumens führt. Abbildung 1c zeigt die Rocking-Kurven von (002)-Peaks der SSNO-Filme in Gruppe A. Die Halbwertsbreite (FWHM) als Funktion des Sauerstoffdrucks ist im Einschub von Abbildung 1c gezeigt. Wenn der Sauerstoffdruck von 1 × 10 ^–3 . ansteigt bis 20 Pa sinkt der FWHM-Wert von 1,08° auf 0,17°, was anzeigt, dass der bei 20 Pa hergestellte Film die höchste Kristallinität besitzt. Es wird festgestellt, dass mehr Sauerstoff für die Keimbildung, Kristallisation und das Wachstum von SSNO-Filmen von Vorteil ist. Ein ähnliches Phänomen wurde bei sauerstoffarmen SSO-Filmen und ZnO-Filmen berichtet [35, 36]. Abbildung 1d und e zeigen die SSNO-Filme in Gruppe B, die entlang (002)- und (101)-Reflexionen ohne andere Phasen orientiert sind. Diese Proben wurden bei 0,2 Pa mit Substrattemperaturen von 660, 700, 740, 780 und 820 °C abgeschieden. XRD φ Scans wurden durchgeführt, um die In-Plane-Orientierung der SSNO-Filme in Bezug auf LAO-Substrate zu untersuchen, indem die Beugungsebenen als ψ . eingestellt wurden =45°. Wie in Fig. 1f gezeigt, treten vierfache Reflexionspeaks des bei 780 °C und 0,2 Pa hergestellten Films mit einem Intervall von 90° zwischen zwei benachbarten Peaks im gleichen Winkel wie dem des LAO-Substrats auf, was darauf hindeutet, dass die SSNO-Filme epitaktisch gewachsen wurden auf LAO(001)-Substraten mit einer Würfel-auf-Würfel-Orientierung.

XRD 2θ -ω Scanmuster der SSNO-Filme auf LAO(001)-Substraten entlang a (002) und b (101) Orientierungen mit unterschiedlichen Sauerstoffdrücken. c XRD ω -Rocking-Kurven, die auf den (002)-Spitzen der Filme aufgenommen wurden. Der Einschub zeigt die FWHM-Ergebnisse bei Variation des Sauerstoffdrucks von 1 × 10 ^–3 bis 20 Pa. d und e sind die 2θ -ω Scans der Filme mit verschiedenen Substrattemperaturen entlang (002) bzw. (101) Ebenen. f φ Scans des bei 0,2 Pa und 780 °C abgeschiedenen SSNO-Films und des LAO-Substrats um (101) Reflexionen

Die Gitterparameter in der Ebene und außerhalb der Ebene für die unter verschiedenen Sauerstoffdrücken abgeschiedenen Filme können unter Verwendung der (002)- und (101)-Beugungspeaks aus den Fig. 1a und b berechnet werden. Wie in Abb. 2a gezeigt, zeigen das Zellvolumen und die Gitterparameter den gleichen abnehmenden Trend mit steigendem Sauerstoffdruck von 1 × 10 ^–3 bis 20 Pa. Die berechneten Werte der drei Parameter für diese abgeschiedenen Proben sind in Tabelle 1 dargestellt auf die Existenz der Sauerstoffleerstellen zurückgeführt. Tatsächlich besteht eine starke Coulomb-Abstoßung zwischen A- und B-Kationen (in diesem Fall Sr und Sn oder Nb), und diese Wechselwirkung wird durch eine hohe Dichte der positiv geladenen Sauerstoffleerstellen verstärkt [29, 37]. Mit abnehmendem Abscheidungssauerstoffdruck variieren die Gitterkonstanten in der Ebene weniger als die Gitterkonstanten außerhalb der Ebene, was mit dem Wachstumsprozess der Filme zusammenhängt. Ein ähnliches Phänomen findet man auch bei sauerstoffarmen BSO-Filmen [29]. Abbildung 2b zeigt die RSM-Ergebnisse der asymmetrischen (\( \overline{1} \)03)-Reflexion, die von den Filmen bei verschiedenen Sauerstoffdrücken erhalten wurden. Es können nur Beugungsflecken von SSNO-Filmen und LAO-Substraten beobachtet werden. Man kann deutlich sehen, dass die Filme aufgrund der beträchtlichen Gitterfehlanpassung zwischen Film und Substrat fast vollständig entspannt sind. Die Werte der Gitterfehlanpassung werden mit 7,04, 7,07, 7,12, 7,13, 7,15% mit variierendem Sauerstoffdruck von 20 bis 1 × 10 ^–3 . bewertet Pa. Inzwischen wird ein größerer Abstand zwischen den Flecken des Films und dem Substrat erhalten, was eine Vergrößerung der Gitterparameter für die SSNO-Filme impliziert. Darüber hinaus wird der Reflexionsfleck des SSNO-Films durch Senken des Sauerstoffdrucks dispersiv und weist eine schwächere Intensität auf, was in guter Übereinstimmung mit den von XRD gesammelten Ergebnissen ω . ist -Schaukelkurven oben erwähnt. Die Gitterkonstanten a , b , und c der SSNO-Filme oder LAO-Substrate können auch mit dem Q . geschätzt werden _x ^* und Q _y ^* Werte (a =b =−λ/ 2Q _x ^* und c = 3λ/ 2Q _y ^* ). Es zeigt sich, dass die berechneten Gitterkonstanten aus den RSMs mit denen aus den 2θ . übereinstimmen -ω lineare Scans. Die RSM-Ergebnisse auf der (\(\overline{1}\)03)-Ebene der bei 0,2 Pa abgeschiedenen Filme mit verschiedenen Substrattemperaturen sind auch in Abb. S2 gezeigt. Filmflecken werden an fast denselben Positionen beobachtet, was auf ähnliche Gitterparameter dieser Filme hinweist.

a Variationen der Gitterparameter in der Ebene und außerhalb der Ebene und des Zellvolumens mit steigendem Sauerstoffdruck von 1 × 10 ^–3 bis 20 Pa. b XRD-RSMs auf (1̅03)-Reflexion, gesammelt von den SSNO/LAO-Heterostrukturen

Wie in Abb. 3 gezeigt, wurde XPS verwendet, um die Valenzzustände der chemischen Elemente für die bei 780 °C unter verschiedenen Sauerstoffdrücken gewachsenen Filme zu untersuchen. Alle Bindungsenergien wurden durch Kalibrieren der C 1s . korrigiert Spitze bei 284,6  eV. Abbildung 3a zeigt ein Dublett von Sr 3d Spektren mit einem Peakabstand von 1,8 eV für alle untersuchten Proben. Die Bindungsenergien von 135,05 ± 0,10 eV und 133,25 ± 0,10 eV können Sr 3d . zugeordnet werden _3/2 und Sr 3d _5/2 Linien, die jeweils das Sr ²⁺ . anzeigen Ionen in den abgeschiedenen Filmen [38]. Die XPS-Daten von Sn 3d Zustände ist in Fig. 3b gezeigt. Auf Basis der NIST-Datenbank werden die Bindungsenergien von Sn 3d _5/2 in Sn ⁰ , Sn ²⁺ , und Sn ⁴⁺ Zustände liegen ungefähr bei 485,0, 485,9 bzw. 486,6 eV. Für die Proben, die unter 20, 5 und 0,2 Pa hergestellt wurden, sind die beiden Linien von Sn 3d _3/2 und Sn 3d _5/2 gefunden bei 494,68 und 486,27 eV mit einer Spin-Bahn-Aufspaltung von 8,4 eV, was darauf hindeutet, dass nur die Sn ⁴⁺ Zustand in diesen Filmen. Mit abnehmendem Sauerstoffdruck auf 1 × 10 ^–3 Pa, das Sn 3d Peaks verschieben sich leicht in Richtung einer niedrigeren Bindungsenergie mit den Positionen bei 494,59 und 486,18 eV, was die teilweise Umwandlung von Sn ⁴⁺ . offenbart bis Sn ²⁺ . Dieses Ergebnis hilft auch, die signifikante Änderung der Gitterkonstanten der Probe als Ionenradius von Sn ²⁺ . zu erklären (1,12 Å) ist größer als Sn ⁴⁺ (0,69 ), folglich eine Förderungswirkung auf die Vergrößerung des Gitters. Ein ähnliches Valenzübergangsphänomen in Sn kann auch in Ta-dotierten SSO-Filmen [26] und La-dotierten BSO-Filmen [39] beobachtet werden. Abbildung 3c zeigt die Nb 3d Spektren mit Dublett entsprechen den Übergängen von Nb 3d _3/2 und Nb 3d _5/2 durch 2,7 eV getrennt. Es ist ersichtlich, dass die Bindungsenergien von Nb 3d _3/2 und Nb 3d _5/2 erscheinen bei ungefähr 210,10 und 207,40 eV für die Proben bei 0,2-20 Pa, während sie auf 209,77 und 207,07 eV für 1 × 10 ⁻³ . sinken Pa. Dieses Ergebnis bestätigt, dass die Nb-Ionen in den SSNO-Filmen im +5-Zustand vorliegen [40,41,42]. Die leichte Abnahme der Bindungsenergien von Nb 3d Signal für die unter Hochvakuum hergestellte Probe kann auf Änderungen in der chemischen Umgebung um Nb-Ionen zurückzuführen sein. Abbildung 3d beschreibt das asymmetrische O 1s Signale der SSNO-Filme. Alle Daten können unter Verwendung der Gauß-Lorentz-Funktion in drei gemischte Kurven aufgeteilt werden. Ein Peak mit der niedrigsten Bindungsenergie von 529,94 ± 0,15 eV entspricht dem Gittersauerstoff, während die anderen beiden Peaks mit höheren Bindungsenergien von 531,48 ± 0,15 eV und 532,50 ± 0,15 eV mit O ²⁻ Ionen, die sich an Sauerstoffleerstellen befinden, bzw. lose gebundener Sauerstoff [29, 43]. Die integrierten Flächen unter den Peaks der niedrigen, mittleren und hohen Bindungsenergie werden als O_A . bezeichnet , O_B , und O_C . Dann wird die relative Sauerstoffleerstellenkonzentration für jeden Film durch Berechnung von [O_B . quantifiziert /(O_A + O_B )]. Werte dieses Verhältnisses aus den Daten in Abb. 3d sind 47,5, 19,8, 16,0 und 15,1% mit steigendem Sauerstoffdruck von 1 × 10 ⁻³ auf 20 Pa, was darauf hindeutet, dass die Konzentration der Sauerstoffleerstellen mit sinkendem Sauerstoffdruck in den SSNO-Filmen allmählich zunimmt.

XPS-Spektren von (a ) Sr 3d , (b ) Sn 3d , (c ) Nb 3d , und (d ) O 1s erhalten aus den SSNO-Filmen mit verschiedenen Sauerstoffdrücken

Um die Auswirkungen des Sauerstoffdrucks und der Abscheidungstemperatur auf die Transporteigenschaften von SSNO-Filmen zu verstehen, wurden Hall-Effekt-Messungen durchgeführt, um die Ladungsträgerkonzentration (n ), Hallenmobilität (μ ) und spezifischer elektrischer Widerstand (ρ ) bei Raumtemperatur, wie in Abb. 4 gezeigt. Die Probe bei 1 × 10 ⁻³ Pa wurde mit einem hohen spezifischen Widerstand von ~ 100 MΩ gemessen (nicht gezeigt), und die anderen Filme zeigten alle n -Typ Leitung. Wie aus 4a ersichtlich ist, steigt die Trägerkonzentration auf 6,03 × 10 ¹⁹ . an /cm ³ mit sinkendem Sauerstoffdruck von 20 auf 0,2 Pa. Die Elektronen als Hauptladungsträger in SSNO-Filmen werden durch die Ionisierung sowohl von Sauerstoffleerstellen als auch durch den Ersatz von Sn-Zentren durch Nb erzeugt. Die Nb-Konzentration kann aus XPS-Messungen abgeschätzt werden, indem die Flächen unter dem Nb 3d . verglichen werden und Sn 3d Peaks und Korrektur mit den Sensitivitätsfaktoren. Die Atomverhältnisse von Nb/(Sn + Nb) werden zu 0,061, 0,064 und 0,071 für Filme berechnet, die unter 0,2, 5 bzw. 20 Pa gewachsen sind. Diese Zunahme der Dotierstoffkonzentration mit steigendem Sauerstoffdruck findet sich auch in Gd-dotierten ZnO-Dünnschichten [44]. Die berechneten Nb-Konzentrationen sind etwas höher als der nominelle Dotierungsgehalt in den SSNO-Filmen, was auf die semiquantitative XPS-Analyse zurückzuführen sein könnte. Andererseits nimmt mit abnehmendem Sauerstoffdruck auf 0,2 Pa die relative Sauerstoffleerstellenkonzentration allmählich zu, wie aus den XPS-Ergebnissen bewiesen werden kann. Daher können mehr Ladungsträger, die durch die erhöhte Anzahl von Sauerstoffleerstellen abgegeben werden, sowie die Variation der Dotierungskonzentration die Ursache der höheren Ladungsträgerkonzentration erklären. Es sollte beachtet werden, dass die Verschiebung der Peakposition der (002)-Peaks bei Variation des Sauerstoffdrucks auch mit der Abweichung der Dotierstoffkonzentration zusammenhängen kann. Die Elektronenmobilität variiert mit dem gleichen Trend der Ladungsträgerkonzentration und weist einen Maximalwert von 3,31 cm ² . auf /Vs bei 0,2 Pa. Die verringerte Mobilität mit steigendem Sauerstoffdruck rührt von der Verschiebung des Fermi-Niveaus zum Zentrum der Lücke her, was zu einer größeren Wirksamkeit von Streuzentren unterhalb der Leitungsbandkante führt [45]. Unter Berücksichtigung der Beziehung von ρ =1/neμ (wo e die Elektronenladung ist), ist der niedrigste spezifische Widerstand bei Raumtemperatur von 31,3 mΩcm, der bei 0,2 Pa beobachtet wurde, das Ergebnis der größten Ladungsträgerkonzentration und Elektronenbeweglichkeit bei diesem Abscheidungssauerstoffdruck. Mit abnehmendem Sauerstoffdruck auf 0,03 Pa, dann auf 1 × 10 ⁻³ Pa, werden erhebliche Sauerstoffdefekte in den SSNO-Filmen erzeugt, die eine ungeordnete Struktur und eine schlechte Kristallinität aufweisen (siehe Einschub von Abb. 1c), die die Elektronenlokalisierung begünstigen [46]. Darüber hinaus zeigt die XPS-Analyse die Ladungsdisproportionierung von Sn ²⁺ und Sn ⁴⁺ in der Probe bei 1 × 10 ⁻³ Pa, was den Anstieg der Ladungsträgerkonzentration weiter blockiert und die elektrische Leitfähigkeit unterdrückt [41]. Folglich wird die signifikante Verschlechterung der Transportleistung von der Probe bei 1 × 10 ^–3 . erhalten Pa. Eine ähnliche Variationstendenz wurde auch bei ZnO-Filmen [47] und BSO-Filmen [48] beobachtet. Weiterhin wurde mit einem auf 0,2 Pa eingestellten Sauerstoffabscheidungsdruck die Abhängigkeit der Leitfähigkeitseigenschaften der Filme von der Substrattemperatur untersucht, wie in Fig. 4b dargestellt. Offensichtlich steigt die Ladungsträgerdichte anfangs allmählich, wenn die Temperatur von 660 auf 780 °C ansteigt, und der Maximalwert wird für die 780 °C abgeschiedene Probe mit einem Wert von 6,03 × 10 ¹⁹ . erreicht /cm ³ . Der spezifische Widerstand zeigt eine entgegengesetzte Tendenz zur Ladungsträgerkonzentration, was darauf hinweist, dass die elektrische Leitfähigkeit dieser Filme weitgehend durch die Ladungsträgerkonzentration bestimmt wird. Der niedrigste spezifische Widerstand bei Raumtemperatur von 31,3 mΩcm wird bei 780 °C erreicht. Es wird beobachtet, dass die Hall-Mobilität nahezu die gleiche Abscheidungs-Temperatur-Beziehung mit dem spezifischen Widerstand aufweist. Daher wurde festgestellt, dass die Leitfähigkeit der SSNO-Filme auch durch die Substrattemperatur abgestimmt werden kann.

Widerstand, Ladungsträgerkonzentration und Mobilität der SSNO-Filme als Funktion von (a ) Sauerstoffdruck von 20 bis 0,03 Pa und (b ) Substrattemperatur von 660 bis 820 °C gemessen bei Raumtemperatur

Abbildung 5a und b zeigen die temperaturabhängigen Widerstandskurven für die unter verschiedenen Bedingungen gewachsenen SSNO-Filme im Temperaturbereich von 30-300 K. Für den bei 0,03  Pa abgeschiedenen Film steigt der spezifische Widerstand mit abnehmender Temperatur (dρ /dT <0), was die Eigenschaft eines halbleitenden Verhaltens ist. Um den Leitungsmechanismus zu verstehen, wurde eine detaillierte Analyse des temperaturabhängigen spezifischen Widerstands durchgeführt. Wie im unteren Einschub von Fig. 5a gezeigt, existiert eine lineare Beziehung zwischen Inρ und T ^−1/4 , was darauf hindeutet, dass das Variable-Range-Hopping der dominante Leitungsmechanismus ist [49]. Es ist zu bemerken, dass nur der bei 0,2 Pa abgeschiedene Film mit einer Substrattemperatur von 780 °C einen Metall-Halbleiter-Übergang (MST) bei 157 K aufweist. Das metallische Verhalten oberhalb der MST-Temperatur kann auf die Bildung eines degenerierten Bandes aufgrund auf die große Dichte der in das System eingebrachten Ladungsträger zurückzuführen, während das halbleitende Verhalten bei niedrigeren Temperaturen durch die Lokalisierung von Elektronen durch Fehlordnung erklärt werden kann [50, 51]. Ähnliches MST-Verhalten findet sich auch in Ta-dotierten SSO [26] und sauerstoffarmen BSO-Filmen [29]. Zur weiteren Erklärung des Transportmechanismus in diesem Film kann ein Modell der Leitfähigkeit in ungeordneter Materie verwendet werden, wenn die elektronische Fermi-Wellenlänge λ _F =[2π /(3π ² n ) ^1/3 ] und die mittlere freie Weglänge l =(h /ρne ² λ _F ) vergleichbar werden [50, 52, 53]. Bei niedrigen Temperaturen λ _F und l werden als vergleichbar eingeschätzt. Daher wird die semiklassische Boltzmann-Gleichung des spezifischen Widerstands berücksichtigt, um die experimentellen Daten zu berücksichtigen, wie durch die folgende Beziehung beschrieben [54, 55, 56]:

$$ \rho(T)=\kern0.5em \frac{1}{\sigma_0+{a}_1T+{a}_2{T}^{1/2}}\kern0.75em +b{T}^2 $ $ (1)

Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands der bei verschiedenen Sauerstoffdrücken gewachsenen SSNO-Filme (a ) und verschiedene Substrattemperaturen (b ). Der obere Einsatz von a zeigt die entsprechenden linearen Anpassungsergebnisse von ρ vs InT , der untere Einsatz der Inρ und T ^−1/4 . Der Einsatz von b ist auch die lineare Beziehung zwischen ρ und InT

wo σ ₀ ist die Restleitfähigkeit, a ₁ T Begriff entspricht der schwachen Lokalisierung, und a ₂ T ^1/2 beschreibt das e ⁻ -e ⁻ Interaktionen für einen 3D-Film. Der Begriff bT ² ist zur erweiterten Beschreibung des Streubeitrags bei höheren Temperaturen enthalten. Die durchgezogene dunkelgraue Linie durch die experimentellen Daten in Abb. 5a legt nahe, dass Gleichung (1) ein ausgezeichnetes Anpassungsergebnis von ρ . liefert (T ). Die Werte der Anpassungsergebnisse sind σ ₀ =28,0 mΩ ⁻¹ cm ⁻¹ , a ₁ =−0,02 mΩ ⁻¹ cm ⁻¹ K ⁻¹ , a ₂ =0,65 mΩ ⁻¹ cm ⁻¹ K ^−1/2 , und b =9,19 × 10 ⁻⁹ mΩcmK ⁻² , bzw. Daraus kann geschlossen werden, dass die Elektron-Elektron-Wechselwirkungen hauptsächlich für den Beitrag zum spezifischen Widerstand bei niedrigen Temperaturen verantwortlich sind, da a ₁ ist viel kleiner als a ₂ . Mit steigendem Sauerstoffdruck auf 5 und 20 Pa steigt der spezifische Widerstandswert der SSNO-Filme allmählich an, und das Halbleiterverhalten dominiert im gesamten gemessenen Temperaturbereich. Wie im oberen Einschub von Fig. 5a gezeigt, ist eine gut lineare Beziehung von ρ -InT Kurven der beiden Proben können beobachtet werden, was darauf hindeutet, dass der entsprechende Mechanismus die zweidimensionale schwache Lokalisation ist [57], die im Wesentlichen durch Quanteninterferenz der Leitungselektronen an den Defekten der Systeme verursacht wird. In Anbetracht der inelastischen Streuung in einigen Elektronenleitungswegen existiert der Interferenzeffekt nur bei t <t ₁ wenn ein Elektron ab einem bestimmten Punkt bei t . zu diffundieren beginnt =0. Hier, t ₁ ist die inelastische Streuzeit. Die Proben mit unterschiedlichen Substrattemperaturen in Abb. 5b zeigen alle Halbleiterverhalten im Temperaturbereich von 30 bis 300  K. Es ist deutlich zu erkennen, dass der temperaturabhängige spezifische Widerstand zunächst von 660 auf 780 °C abnimmt und dann mit auf 820 °C ansteigt der Sauerstoffdruck fixiert auf 0,2 Pa. Wie im Einschub von Abb. 5b gezeigt, lineare Beziehung zwischen ρ und InT für Proben bei 660, 700, 740 und 820 °C weist auch auf den schwachen Lokalisierungsmechanismus hin [58, 59].

Die Transmissionsspektren im Wellenlängenbereich von 200-1800  nm für die unter 1 × 10 ^-3 . abgeschiedenen SSNO-Filme -20 Pa und bei 660-820 °C sind in Abb. 6a bzw. b gezeigt. Die optische Transparenz der Filme bei verschiedenen Sauerstoffdrücken und Abscheidungstemperaturen beträgt mehr als 70 % im Spektralbereich zwischen 600 und 1800 nm, obwohl das Substrat teilweise Licht absorbieren kann. Die Folien zeigen eine hohe Transmission bis in den nahen Infrarotbereich, die für die TCO-Anwendung in Solarzellen erforderlich ist. Diese Eigenschaft unterscheidet sich von der verringerten Transmission im nahen Infrarotbereich aufgrund der Absorption der meisten TCO-Filme [20, 60]. Darüber hinaus wird auch beobachtet, dass sie die fundamentalen Absorptionskanten aufweisen, die im nahen Ultraviolettbereich liegen. Aus Fig. 6a ist ersichtlich, dass sich die Absorptionskanten von SSNO-Filmen, die bei 780 °C abgeschieden wurden, mit abnehmendem Sauerstoffdruck von 20 auf 1 × 10 ^–3 . zu kürzeren Wellenlängen verschieben Pa, wie im Einschub deutlicher gezeigt. Bei einem auf 0,2 Pa fixierten Sauerstoffdruck überlappten sich jedoch die Absorptionskanten der bei verschiedenen Substrattemperaturen gewachsenen Filme fast, wie in Fig. 6b zu sehen ist, was darauf hinweist, dass die Abscheidungstemperatur die optischen Eigenschaften der SSNO-Filme nicht offensichtlich moduliert. Die Bandlücken E _g der Filme können aus der folgenden Gleichung geschätzt werden:

$$ {\left(\alpha h\nu \right)}^n=A\left( h\nu -{\textrm{E}}_{\textrm{g}}\right) $$ (2)

Die optische Transmission der bei (a . hergestellten SSNO-Filme ) different oxygen pressures and (b ) different substrate temperatures in the wavelength range of 200-1800 nm. The plots of (α h ν ) ^1/2 versus h ν and (αh ν ) ² versus h ν for the films with various oxygen pressures are shown in Fig. 6c and d, respectively. The inset in Fig. 6d shows the direct and indirect band-gap energy variations by varying oxygen pressure from 1 × 10 ⁻³ to 20 Pa

wobei α represents the absorption coefficient, hν is the photon energy, n =1/2 for indirect band gap and 2 for direct, A is a constant related to electron-hole mobility, and E _g is the separation between the bottom of the conduction band and the top of the valence band. Hier, α can be calculated using the relationship, α =(1/d )In(1/T ), where d stands for the film thickness and T is the transmittance. Figure 6c and d show the plots of (αhν ) ^1/2 and (αhν ) ² gegen hν for the samples deposited at 780 °C with different oxygen pressures, respectively. The band gaps can be obtained by extrapolating the linear portions of the curves to α =0. Importantly, the band gap is evaluated to increase with decreasing oxygen pressure from 4.35 to 4.90 eV for the indirect gap and from 4.82 to 5.29 eV for the direct, described in the inset of Fig. 6d. With varying oxygen pressure from 20 to 0.2 Pa, the band gap widening of SSNO film with increased carrier concentration is related to the raised Fermi level in the conduction band of an n -type semiconductor, which is referred to as Burstein-Moss effect [61, 62]. As the low energy levels of conduction band were filled up by the conduction electrons, only the photons with higher energies can be absorbed, leading to an enlarged band gap [63]. For the samples deposited at lower oxygen pressures, the further increment in band gap is due to the generation of considerable oxygen vacancies in this film [35].