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一文了解透明导电薄膜材料ITO【吉祥博】

发布时间:2020-10-19 11:37:01来源:吉祥博【官网】编辑:吉祥博【官网】阅读: 当前位置:首页 > 猎奇怪事 > 手机阅读

吉祥博官网-半透明导电氧化物(TransparentConductiveOxide,TCO)是一种在红外线光谱范围(380nm<λ<780nm)利用亲率很高且电阻率较低的薄膜材料。TCO薄膜材料主要有CdO、In2O3、SnO2和ZnO等氧化物及其适当的填充多元化合物半导体材料。发展历程:(1)1907年Badeker等人第一次通过热冷却法制取了CdO半透明导电薄膜,开始了对半透明导电薄膜的研究和利用(2)十九世纪50年代分别研发出有基于SnO2和In2O3的半透明导电薄膜(3)随后的30年里又经常出现了ZnO基的薄膜这个时期,TCO材料主要基于这三种体系:In2O3、SnO2、ZnO。

然而,一种金属氧化物薄膜的性能由于材料包括元素固有的物理性质无法符合人们的拒绝。为了优化薄膜的化学和光电性质,构建低透射率和较低电阻率,科学家们做到了更进一步的研究。

(4)20世纪90年代,日本和美国一些科研机构开始了两种以上氧化物构成的多元化合物材料的研究与研发,通过调整成分与化学用料来取得所需的TCO材料目前,应用于最少的几种TCO材料是:氧化铟锡(ITO,In2O3:Sn),掺入铝的氧化锌(AZO,ZnO:Al),掺入氟的水解锡(FTO,SnO2:F),掺入锑的水解锡(ATO,Sn2O:Sb)等。TCO的应用领域十分甚广,主要用作液晶显示器的半透明电极、触摸屏、柔性OLED屏幕、光波导元器件以及薄膜太阳能电池等领域。在半透明导电氧化物薄膜中,ITO具备很高的红外线透射率(90%),较低的电阻率(10-4~10-3Ω?cm),较好的耐磨性,同时化学性能平稳。因此,ITO在TCO薄膜中的比重最低。

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ITO在一般情况下为体心立方铁锰矿结构,是基于In2O3晶体结构的掺入,In2O3中In原子是六配位,O原子是四配位。In2O3晶体结构中本征伐缺位(氧缺位)和Sn4+替代In位两种机制联合贡献了大量自由电子,因此ITO为n型半导体,载流子浓度在1021/cm3左右,只求掺入。导电机制如下:氧化铟锡的导电机制主要牵涉到两方面的因素——本征缺失和杂质缺失。

In2O3晶格中立方体的六个顶角处被氧原子占有,留给两个氧缺位,这样不会使得的邻近缺位和靠近缺位的两种氧离子不等价。在还原成气氛中,In2O3中的部分氧离子分解氧气(或与还原剂融合成其他物质)两县,留给一个氧空位,而多余的电子在In2O3中构成符合化学计量比的In3+2-x(In3+·2e)xO2-3-x,反应式回应为:In2O3→In3+2-x(In3+·2e)xO2-3-x+x/2O2当In2O3含有一定比例的锡后,高价的锡离子(Sn4+)占有了铟(In3+)位,从而产生一个电子,最后构成了这样的结构In3+2-x(Sn4+·e)xO3。

掺入反应式如下:In2O3+xSn4+→In3+2-x(Sn4+·e)xO3+xIn3+在较低温度下沉积的ITO薄膜中氧缺位获取的电子对其较好的电导率起主要起到;在高温下沉积或展开过热处理工艺的ITO薄膜中,Sn4+对In3+的代替产生的电子沦为载流子的主要来源。作为必要带隙的半导体材料,ITO的禁带宽度一般在3.5~4.3eV范围内。并未掺入的In2O3带上隙为3.75eV,导带中电子的有效地质量为:mc≈0.35m0,其中m0为自由电子的质量。

由于Sn的含有,导带底部不会构成n型杂质能级。渐渐减少Sn的量,费米能级EF也大大向下移动,当移到导带底部,此时的载流子浓度被定义为临界值nc。

通过Mottv’sCriterion准则可以获得nc的值:nc1/3a0*≈0.25其中a0*为有效地波尔半径,大约为1.3nm,故求出临界浓度为7.1×1018/cm3。ITO薄膜载流子浓度一般在1021/cm3以上,归属于重度吉祥博官网掺入,小于临界浓度,因此其导带中的的电子态被电子填满。

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由于Burstein-Moss效应,ITO薄膜的光学比特率减少,实际光谱吸取缩波长蓝移。带隙的增量可以回应为:ΔEgBM(n)=h/2{1/mc*+1/mv*}(3π2n)2/3与之忽略的,杂质原子的电子波函数不会再次发生重合,单一的杂质能级拓展构成能带,并且与导带底连接,包含新的晶格导带,造成其尾部拓展至禁带中,从而使得禁带变宽。另外,还有其他一些因素导致ITO禁带宽度变宽,如多体效应,电子空穴之间屏蔽减少所造成的激子融合强度增大,晶体自能的转变。

但是一般来说Burstein-Moss效应占到主导地位。图中Eg,Eg’分别回应In2O3和ITO的禁带宽度,ITO薄膜实际的光学带上隙一般来说小于并未掺入In2O3的带隙。ITO所具备的长光学带隙的特点是其作为低透射率薄膜材料的必要条件。

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