Электрические и оптические свойства эпитаксиальных пленок SrSnO3, легированных Nb, осажденных импульсным лазерным напылением

Фон

Прозрачные проводящие оксиды (TCO) - это необычные материалы, которые обладают как низким электрическим сопротивлением, так и высокой оптической прозрачностью. Сочетание двух важных характеристик делает материалы TCO ключевыми для широкого применения в оптоэлектронных устройствах, таких как pn переходы, полевые транзисторы и солнечные элементы [1,2,3,4,5,6,7]. В качестве типичного материала TCO, легированный оловом In ₂ О ₃ широко используется благодаря высокому коэффициенту пропускания более 90% в видимой области спектра и отличной проводимости 1 × 10 ⁴ См / см [8]. Другие известные TCO, включая ZnO, легированный Al [9, 10], и SnO, легированный Sb ₂ [11], также представляют интерес. Эти довольно высокие проводящие характеристики коррелируют со специальной электронной структурой, в которой зона проводимости состоит из делокализованных металлических s орбитали, что приводит к низкой эффективной массе электронов и высокой дисперсии. В данном материале низкая эффективная масса и высокая дисперсия могут привести к высокой электропроводности. Однако у этих бинарных оксидов есть свои ограничения, такие как термическая и химическая нестабильность, которая вызовет проблемы деградации для работы оксидных электронных устройств. Поэтому прилагаются большие усилия для поиска альтернативных материалов с удовлетворительными характеристиками, чтобы компенсировать недостатки бинарных оксидов. Было обнаружено, что материалы со структурой перовскита обладают исключительными физическими свойствами, такими как сверхпроводимость [12], мультиферроичность [13] и колоссальное магнитосопротивление [14]. По сравнению с обычными бинарными TCO, они демонстрируют лучшую структурную стабильность и могут быть более гибкими в химической модификации, что может улучшить их физические свойства или способствовать реализации новых функций.

Станнаты щелочноземельные A SnO ₃ ( А =Ca, Sr и Ba) представляют большой интерес из-за их интригующих диэлектрических свойств и применения, например, в термостабильных конденсаторах [15,16,17]. В последнее время эти перовскиты также привлекли большое внимание как новые пленки TCO, основанные на уникальных свойствах высокой оптической прозрачности и высокой подвижности носителей [18,19,20,21,22]. Их валентные зоны состоят в основном из O 2 p орбитали и зоны проводимости в значительной степени обусловлены Sn 5 s орбитали, расположенные выше уровня Ферми, образуют широкую запрещенную зону [23]. Небольшие эффективные массы электронов, следовательно, хорошая электропроводность A SnO ₃ можно приписать большому размеру Sn, который дает край зоны проводимости с разрыхлителем s персонажи [23]. Среди A SnO ₃ , SrSnO ₃ (SSO) демонстрирует поведение полупроводника с шириной запрещенной зоны 4,1 эВ и имеет ромбическую структуру с постоянными решетки a =5,708 Å, b =5,703 Å и c =8,065 Å [24]. Чистые пленки SSO не проводят. Для дальнейшего улучшения проводимости SSO-пленок было выбрано множество элементов для легирования SSO-пленок для генерации носителей путем замены A-сайта или B-сайта, например, La для Sr-сайтов [25] и Ta для Sn-сайтов [26]. Выбор правильного легирующего элемента и подходящей концентрации легирующей добавки имеет решающее значение для получения высококачественных пленок TCO, а также для оптимальных условий роста. Элемент Nb часто используется для частичной замены пленок TCO, поскольку в системе материалов, как правило, образуется больше носителей, извлекающих выгоду из Nb с высокой валентностью ⁵⁺ катионы. Действительно, высокая плотность носителей, создаваемых введением ионов Nb, была продемонстрирована в соответствии с экспериментальными результатами и результатами расчетов из первых принципов. Например, TiO, легированный Nb ₂ пленки показали удельное сопротивление при комнатной температуре всего 2 × 10 ⁻⁴ Ом · см [27], а пленки ZnO, легированные Nb, показали самое низкое удельное сопротивление 8,95 × 10 ⁻⁴ . Омсм [28]. С точки зрения внутренней физики и фундаментальной науки доноры Nb будут отдавать один электрон в зону проводимости SSO, поскольку ионы Sn замещаются Nb из-за схожих ионных радиусов Nb ⁵⁺ (0,64 Å) и Sn ⁴⁺ (0,69 Å), и приведет к повышенной проводимости в пленках SSO, легированных электронами. С другой стороны, физические свойства пленок TCO также можно регулировать при различных давлениях кислорода осаждения и температурах во время роста пленки. Транспортные характеристики BaSnO ₃ (BSO) [29], LaNiO ₃ [30], и SrTiO ₃ Ранее сообщалось, что магнитные свойства пленок ZnO, легированных Gd [32, 33], чувствительны к давлению кислорода. Пленки SSO, легированные La, и пленки BSO, легированные Nd, также продемонстрировали замечательную корреляцию между электрическими свойствами и температурой осаждения [20, 34]. Для лучшего контроля физических характеристик и получения тонких пленок высокого качества для исследования большое значение имеет изучение воздействия этих ключевых условий осаждения на тонкие пленки. Однако предыдущие отчеты очень ограничены влиянием давления кислорода и температуры подложки на структурные, оптические и электрические свойства тонких пленок SSO. Поэтому акцентируем внимание на этом аспекте данной работы. Серия пленок SSO, легированных Nb, была изготовлена ​​методом импульсного лазерного осаждения (PLD). Чтобы не повлиять на измерения коэффициента пропускания пленок, LaAlO ₃ Для нанесения тонких пленок использовались монокристаллические подложки с широкой запрещенной зоной 5.5 эВ. Давление кислорода во время роста колеблется от 1 × 10 ⁻³ до 20 Па и температуре подложки от 660 до 820 ° С. Подробно исследованы структура, электрические и оптические свойства пленок.

Методы

Sr (Sn _0,95 Nb _0,05 ) O ₃ (SSNO) мишень была изготовлена ​​твердотельными реакциями с использованием SrCO ₃ высокой чистоты. , SnO ₂ , и Nb ₂ О ₅ в качестве сырья с выдержкой конечной температуры спекания 1520 ° С в течение 10 ч. Две группы эпитаксиальных тонких пленок SSNO (A и B) были выращены на LaAlO ₃ (001) [LAO (001)] подложки, полученные методом PLD с использованием эксимерного KrF-лазера с длиной волны 248 нм для абляции мишени SSNO с частотой повторения 3 Гц. Плотность лазерной энергии на вращающейся поверхности мишени составляла около 1,8 Дж / см ² . , а расстояние от подложки до мишени сохранялось на уровне 55 мм. Образцы группы A были сначала подготовлены для оптимизации удельного сопротивления при изменении давления кислорода от 1 × 10 ⁻³ до 20 Па при постоянной температуре подложки 780 ° C. Основываясь на оптимизированном давлении кислорода, пленки из группы B затем осаждали при различных температурах подложки от 660 до 820 ° C для дальнейшего изучения оптимальных условий роста. До подачи чистого кислорода базовое давление в камере составляло 1 × 10 ⁻⁴ Па. После осаждения все пленки отжигались in situ в течение 15 мин перед охлаждением в той же кислородной среде. Пленочные структуры были охарактеризованы с помощью дифракции рентгеновских лучей высокого разрешения (XRD) на дифрактометре Empyrean PANalytical с Cu K α ₁ источник ( λ =1,5406 Å). Дифракция в плоскости и вне плоскости 2 θ - ω сканирование и φ сканирование проводилось для определения эпитаксиального роста. ω сканирование было выполнено, чтобы подтвердить кристалличность пленок, и карты обратного пространства (RSM) были использованы для исследования состояния деформации. Скорость роста пленок оценивалась с использованием коэффициента отражения рентгеновских лучей, а толщина каждой осажденной пленки контролировалась на уровне 230 нм. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS, Thermo, escalab 250XI) использовалась для анализа валентных состояний элементов. Измерения эффекта Холла были выполнены с использованием геометрии Ван дер Пау на системе Ecopia HMS-3000 при комнатной температуре. Кривые температурной зависимости удельного сопротивления пленок были получены в интервале температур от 300 до 30 K стандартным четырехполюсным методом с использованием измерителя источника Keithley 2400. Оптическое пропускание в диапазоне длин волн 200-1800 нм измеряли УФ-видимым спектрометром (Lambda 950, Perkin Elmer, США).

Результаты и обсуждение

На рисунках 1a и b показаны 2 θ - ω линейное сканирование пленок SSNO с различным давлением кислорода, выращенных на монокристаллических подложках LAO (001) вдоль ориентаций (002) и (101) соответственно. При температуре подложки 780 ° C пленки в группе A были изготовлены при давлении 1 × 10 ⁻³ , 0,03, 0,2, 5 и 20 Па, как указано. Наблюдаются только пики отражения (002) и (101), что указывает на отсутствие других примесных фаз в пленках. Это можно дополнительно доказать с помощью рентгеновской дифракции 2 θ в широком диапазоне. - ω сканирование пленки, полученной при 20 Па и 780 ° C, как показано на рис. S1. Чтобы исследовать влияние примеси Nb на структурные свойства, результат XRD пленки SSO с такими же условиями роста также представлен на рис. S1. Замечено, что (00 l ) пики пленки SSNO смещаются к более высоким 2 θ углы по сравнению с пленкой SSO, что можно объяснить различием ионных радиусов Nb ⁵⁺ (0,64 Å) и Sn ⁴⁺ (0,69 Å). При уменьшении давления кислорода осаждения в группе A дифракционные пики смещаются к более низким 2 θ углов постепенно, что приводит к увеличению параметров решетки и объема ячейки. На рис. 1c представлены кривые качания, взятые из пиков (002) пленок SSNO в группе A. Полная ширина на полувысоте (FWHM) как функция давления кислорода показана на вставке к рис. 1c. По мере увеличения давления кислорода с 1 × 10 ⁻³ до 20 Па значение FWHM уменьшается с 1,08 ° до 0,17 °, указывая на то, что пленка, полученная при 20 Па, обладает наивысшей кристалличностью. Замечено, что большее количество кислорода благоприятно для зарождения, кристаллизации и роста пленок SSNO. Об аналогичном явлении сообщалось в пленках SSO с недостатком кислорода и пленках ZnO [35, 36]. На рис. 1d и e показаны пленки SSNO в группе B, ориентированные по рефлексам (002) и (101) без других фаз. Эти образцы были нанесены при давлении 0,2 Па и температурах подложки 660, 700, 740, 780 и 820 ° C. XRD φ сканирование было выполнено для исследования ориентации пленок SSNO в плоскости относительно подложек LAO путем установки дифракционных плоскостей как ψ =45 °. Как показано на рис. 1f, четырехкратные пики отражения пленки, изготовленной при 780 ° C и 0,2 Па с интервалом 90 ° между двумя соседними пиками, возникают под тем же углом, что и у подложки LAO, что указывает на то, что пленки SSNO были выращены эпитаксиально. на подложках LAO (001) с ориентацией куб на куб.

XRD 2 θ - ω шаблоны сканирования пленок SSNO на подложках LAO (001) вдоль a (002) и b (101) ориентации с различным давлением кислорода. c XRD ω - кривые качания, снятые на пиках (002) пленок. На вставке показаны результаты FWHM при изменении давления кислорода от 1 × 10 ⁻³ до 20 Па. d и е являются 2 θ - ω сканирование пленок с различной температурой подложки по плоскостям (002) и (101) соответственно. е φ сканирование пленки SSNO, осажденной при 0,2 Па и 780 ° C, и подложки LAO вокруг отражений (101)

Параметры решетки в плоскости и вне плоскости для пленок, осажденных при различных давлениях кислорода, могут быть рассчитаны с использованием дифракционных пиков (002) и (101) с рис. 1a и b. Как показано на рис. 2а, объем ячейки и параметры решетки демонстрируют ту же тенденцию к уменьшению с увеличением давления кислорода от 1 × 10 ⁻³ . до 20 Па. Расчетные значения трех параметров для этих осажденных образцов представлены в таблице 1. Изменение постоянных решетки в зависимости от давления кислорода осаждения также наблюдалось в других пленках перовскита с дефицитом кислорода [29, 35], и это может быть объясняется существованием кислородных вакансий. Фактически существует сильное кулоновское отталкивание между катионами A и B (в данном случае Sr и Sn или Nb), и это взаимодействие будет усилено высокой плотностью положительно заряженных кислородных вакансий [29, 37]. С уменьшением давления кислорода осаждения постоянные решетки в плоскости изменяются меньше, чем постоянные решетки вне плоскости, что связано с процессом роста пленок. Подобное явление наблюдается и в пленках BSO с дефицитом кислорода [29]. На рис. 2б показаны результаты RSM асимметричного (\ (\ overline {1} \) 03) отражения, полученные от пленок с различным давлением кислорода. Наблюдаются только дифракционные пятна от пленок SSNO и подложек LAO. Хорошо видно, что пленки практически полностью релаксированы из-за значительного рассогласования решеток пленки и подложки. Значения рассогласования решеток оцениваются как 7,04, 7,07, 7,12, 7,13, 7,15% при изменении давления кислорода от 20 до 1 × 10 ⁻³ . Па. Между тем, получается большее расстояние между пятнами пленки и подложки, что подразумевает увеличение параметров решетки для пленок SSNO. Более того, при понижении давления кислорода пятно отражения пленки SSNO становится дисперсным и имеет меньшую интенсивность, что хорошо согласуется с результатами, полученными с помощью XRD ω - кривые качания, упомянутые выше. Константы решетки a , b , и c пленок SSNO или подложек LAO также можно оценить с помощью Q _x ^* и Q _y ^* значения ( a =b = −λ / 2 Q _x ^* и c = 3 λ / 2 Q _y ^* ). Было обнаружено, что рассчитанные постоянные решетки из RSM согласуются с таковыми из 2 θ - ω линейное сканирование. Результаты RSM на плоскости (\ (\ overline {1} \) 03) пленок, осажденных при 0,2 Па при различных температурах подложки, также показаны на рис. S2. Пятна пленки наблюдаются почти в одних и тех же положениях, что указывает на схожие параметры решетки этих пленок.

а Изменение параметров решетки в плоскости и вне плоскости и объема ячейки при увеличении давления кислорода от 1 × 10 ⁻³ до 20 Па. b RSM XRD на рефлексе (1–03), полученном от гетероструктур SSNO / LAO

Как показано на рис. 3, XPS использовался для исследования валентных состояний химических элементов пленок, выращенных при 780 ° C и различных давлениях кислорода. Все энергии связи были скорректированы калибровкой C 1 s пик при 284,6 эВ. На рисунке 3а изображен дублет Sr 3 d спектры с разделением пиков 1.8 эВ для всех исследованных образцов. Энергии связи 135,05 ± 0,10 эВ и 133,25 ± 0,10 эВ могут быть отнесены к Sr 3 d _3/2 и Sr 3 d _5/2 линии соответственно, обозначающие Sr ²⁺ ионы в осаждаемых пленках [38]. Данные XPS Sn 3 d состояний показано на рис. 3б. Энергии связи Sn 3 d на основе базы данных NIST _5/2 в Sn ⁰ , Sn ²⁺ , и Sn ⁴⁺ состояния расположены примерно при 485,0, 485,9 и 486,6 эВ соответственно. Для образцов, приготовленных под давлением 20, 5 и 0,2 Па, две линии Sn 3 d _3/2 и Sn 3 d _5/2 находятся на 494,68 и 486,27 эВ со спин-орбитальным расщеплением 8,4 эВ, что позволяет предположить, что только Sn ⁴⁺ состояние в этих фильмах. Однако при понижении давления кислорода до 1 × 10 ⁻³ Па, Sn 3 d пики немного смещаются в сторону более низкой энергии связи с положениями при 494,59 и 486,18 эВ, показывая частичное преобразование из Sn ⁴⁺ в Sn ²⁺ . Этот результат также помогает объяснить значительное изменение постоянных решетки образца ионным радиусом Sn ²⁺ (1,12 Å) больше, чем Sn ⁴⁺ (0,69 Å), следовательно, стимулирующий эффект на расширение решетки. Подобное явление валентного перехода в Sn можно также наблюдать в пленках SSO, легированных Ta [26], и пленках BSO, легированных La [39]. На рисунке 3c показан Nb 3 d спектры с дублетом соответствуют переходам из Nb 3 d _3/2 и Nb 3 d _5/2 разделены на 2.7 эВ. Видно, что энергии связи Nb 3 d _3/2 и Nb 3 d _5/2 появляются при 210,10 и 207,40 эВ для образцов при 0,2-20 Па, уменьшаясь до 209,77 и 207,07 эВ для 1 × 10 ⁻³ Па. Этот результат подтверждает, что ионы Nb находятся в состоянии +5 в пленках SSNO [40,41,42]. Незначительное уменьшение энергии связи Nb 3 d сигнал для образца, приготовленного в высоком вакууме, может быть связан с изменениями химического окружения вокруг ионов Nb. Рисунок 3d описывает асимметричный O 1 s сигналы фильмов ССНО. Все данные можно разделить на три смешанные кривые, используя функцию Гаусса-Лоренца. Один пик, расположенный при самой низкой энергии связи 529,94 ± 0,15 эВ, соответствует решеточному кислороду, в то время как два других пика с более высокими энергиями связи 531,48 ± 0,15 эВ и 532,50 ± 0,15 эВ коррелируют с O ^{2 -} ионы, расположенные в областях кислородных вакансий, и слабосвязанный кислород соответственно [29, 43]. Интегрированные области под пиками низкой, средней и высокой энергии связи обозначены как O _A , O _B , и O _C . Затем относительная концентрация кислородных вакансий для каждой пленки количественно определяется путем вычисления [O _B / (O _A + O _B )]. Значения этого отношения, взятые из данных на рис. 3d, составляют 47,5, 19,8, 16,0 и 15,1% при увеличении давления кислорода с 1 × 10 ⁻³ . до 20 Па, что свидетельствует о том, что концентрация кислородных вакансий постепенно увеличивается с понижением давления кислорода в пленках SSNO.

XPS-спектры ( a ) Sr 3 d , ( b ) Sn 3 d , ( c ) Nb 3 d , и ( d ) O 1 с полученные из пленок SSNO при различном давлении кислорода

Чтобы понять влияние давления кислорода и температуры осаждения на транспортные свойства пленок SSNO, были проведены измерения эффекта Холла для определения концентрации носителей ( n ), Холловская подвижность ( μ ) и удельное электрическое сопротивление ( ρ ) при комнатной температуре, как показано на рис. 4. Образец при 1 × 10 ⁻³ Па показало высокое удельное сопротивление ~ 100 МОм (не показано), а все остальные пленки показали n -типа проводимости. Как видно из рис. 4а, концентрация носителей увеличивается до 6,03 × 10 ¹⁹ / см ³ при понижении давления кислорода с 20 до 0,2 Па. Электроны, как основные носители заряда в пленках SSNO, образуются за счет ионизации как кислородных вакансий, так и замены узлов Sn на Nb. Концентрацию Nb можно оценить по измерениям XPS путем сравнения площадей под Nb 3 d и Sn 3 d пиков и корректировки с коэффициентами чувствительности. Расчетные атомные отношения Nb / (Sn + Nb) составляют 0,061, 0,064 и 0,071 для пленок, выращенных при давлении 0,2, 5 и 20 Па соответственно. Это увеличение концентрации легирующей примеси с увеличением давления кислорода также можно обнаружить в тонких пленках ZnO, легированных Gd [44]. Расчетные концентрации Nb немного превышают номинальное содержание легирования в пленках SSNO, что может быть связано с полуколичественным анализом XPS. С другой стороны, при уменьшении давления кислорода до 0,2 Па относительная концентрация кислородных вакансий постепенно увеличивается, что может быть подтверждено результатами XPS. Следовательно, большее количество носителей, предоставленных увеличенным числом кислородных вакансий, а также изменение концентрации легирования могут объяснить причину более высокой концентрации носителей. Следует отметить, что смещение положения пика пиков (002) при изменении давления кислорода также может быть связано с отклонением концентрации примеси. Подвижность электронов изменяется в соответствии с тем же трендом концентрации носителей, показывая максимальное значение 3,31 см ² . / Vs при 0,2 Па. Уменьшение подвижности с увеличением давления кислорода происходит из-за смещения уровня Ферми к центру щели, что приводит к большей эффективности центров рассеяния, расположенных ниже края зоны проводимости [45]. Принимая во внимание связь ρ =1 / neμ (где e - заряд электрона), самое низкое удельное сопротивление при комнатной температуре 31,3 мОм · см, наблюдаемое при 0,2 Па, является результатом наибольшей концентрации носителей и подвижности электронов при этом давлении кислорода осаждения. Однако при понижении давления кислорода до 0,03 Па, затем до 1 × 10 ⁻³ Pa, в пленках SSNO образуются значительные кислородные дефекты, которые обладают неупорядоченной структурой, плохой кристалличностью (см. Вставку к рис. 1в), что способствует локализации электронов [46]. Более того, анализ XPS показывает диспропорционирование заряда Sn ²⁺ и Sn ⁴⁺ в образце 1 × 10 ⁻³ Па, что дополнительно блокирует рост концентрации носителей и подавляет электропроводность [41]. Следовательно, значительное ухудшение транспортных характеристик получается из образца при 1 × 10 ⁻³ Па. Аналогичная тенденция изменения наблюдалась также в пленках ZnO [47] и BSO [48]. Кроме того, при давлении кислорода для осаждения, установленном на 0,2 Па, была исследована зависимость проводящих характеристик пленок от температуры подложки, как показано на рис. 4b. Очевидно, что плотность носителей сначала постепенно увеличивается по мере увеличения температуры от 660 до 780 ° C, и максимальное значение достигается для осажденного образца 780 ° C со значением 6,03 × 10 ¹⁹ / см ³ . Удельное сопротивление демонстрирует противоположную тенденцию с концентрацией носителей, указывая на то, что электропроводность этих пленок в значительной степени определяется концентрацией носителей. Наименьшее удельное сопротивление при комнатной температуре 31,3 мОм · см достигается при 780 ° C. Обнаружено, что холловская подвижность имеет примерно такое же соотношение температуры осаждения и удельного сопротивления. Таким образом, установлено, что проводимость пленок SSNO также может регулироваться температурой подложки.

Удельное сопротивление, концентрация носителей и подвижность пленок SSNO в зависимости от ( a ) давление кислорода от 20 до 0,03 Па и ( b ) температура основания от 660 до 820 ° C при комнатной температуре

На рис. 5а и б показаны температурно-зависимые кривые удельного сопротивления пленок SSNO, выращенных в различных условиях в диапазоне температур 30-300 К. Для пленки, осажденной при 0,03 Па, сопротивление увеличивается с понижением температуры ( dρ / dT <0), что является характеристикой полупроводникового поведения. Чтобы понять механизм проводимости, был проведен подробный анализ зависимости удельного сопротивления от температуры. Как показано на нижней вставке рис. 5a, существует линейная зависимость между In ρ и T ^−1/4 , предполагая, что прыжки с переменной длиной прыжка являются доминирующим механизмом проводимости [49]. Можно заметить, что только пленка, осажденная при 0,2 Па с температурой подложки 780 ° C, демонстрирует переход металл-полупроводник (MST) при 157 K. Металлическое поведение выше температуры MST может быть связано с образованием вырожденной полосы из-за большой плотности носителей, вводимых в систему, в то время как полупроводниковое поведение при более низких температурах можно объяснить локализацией электронов из-за беспорядка [50, 51]. Подобное поведение MST можно также найти в SSO, легированном Ta [26], и пленках BSO с дефицитом кислорода [29]. Для дальнейшего объяснения механизма переноса в этой пленке можно использовать модель проводимости в неупорядоченном веществе, когда длина волны Ферми электронов λ _F =[2 π / (3 π ² нет ) ^1/3 ] и средней длины свободного пробега l =( h / ρne ² λ _F ) становятся сопоставимыми [50, 52, 53]. При низких температурах λ _F и l оцениваются как сопоставимые. Следовательно, полуклассическое уравнение сопротивления Больцмана принимается во внимание, чтобы соответствовать экспериментальным данным, как описано следующим соотношением [54,55,56]:

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

Температурная зависимость удельного сопротивления пленок SSNO, выращенных при различных давлениях кислорода ( a ) и различной температуры основания ( b ). Верхняя вставка а показывает соответствующие результаты линейной аппроксимации ρ по сравнению с In T , нижняя вставка In ρ и T ^−1/4 . Вставка b также является линейной зависимостью между ρ и В T

где σ ₀ остаточная проводимость, a ₁ Т термин соответствует слабой локализации, а a ₂ Т ^1/2 описывает e ^- - е ^- взаимодействия для 3D-фильма. Термин bT ² включен для расширенного описания вклада рассеяния при более высоких температурах. Сплошная темно-серая линия через экспериментальные данные на рис. 5a предполагает, что уравнение (1) дает отличный результат подгонки ρ ( Т ). Значения результатов подгонки: σ ₀ =28,0 мОм ⁻¹ см ⁻¹ , а ₁ =−0,02 мОм ⁻¹ см ⁻¹ К ^-1 , а ₂ =0,65 мОм ⁻¹ см ⁻¹ К ^−1/2 , и b =9,19 × 10 ⁻⁹ мОмсмK ⁻² , соответственно. Можно сделать вывод, что взаимодействия электронов с электронами в основном ответственны за вклад в удельное сопротивление при низких температурах как a ₁ намного меньше, чем a ₂ . С увеличением давления кислорода до 5 и 20 Па значение удельного сопротивления пленок SSNO постепенно увеличивается, и полупроводниковое поведение доминирует во всем измеряемом диапазоне температур. Как показано на верхней вставке рис. 5а, хорошо линейная зависимость ρ -В T Можно наблюдать кривые двух образцов, что указывает на то, что соответствующий механизм представляет собой двумерную слабую локализацию [57], которая по существу вызвана квантовой интерференцией электронов проводимости на дефекты систем. Учитывая неупругое рассеяние на некоторых путях электронной проводимости, интерференционный эффект существует только при t < т ₁ когда один электрон начинает диффундировать из определенной точки в t =0. Здесь t ₁ - время неупругого рассеяния. Все образцы с разной температурой подложки на рис. 5b демонстрируют полупроводниковое поведение в диапазоне температур от 30 до 300 К. Хорошо видно, что зависящее от температуры удельное сопротивление сначала уменьшается с 660 до 780 ° C, а затем увеличивается до 820 ° C с увеличением температуры. давление кислорода зафиксировано на уровне 0,2 Па. Как показано на вставке к рис. 5b, линейная зависимость между ρ и В T для образцов при 660, 700, 740 и 820 ° C также указывает на слабый механизм локализации [58, 59].

Спектры пропускания в диапазоне длин волн 200-1800 нм для пленок SSNO, осажденных под давлением 1 × 10 ⁻³ -20 Па и при 660-820 ° C показаны на рис. 6а и б соответственно. Оптическая прозрачность пленок при различных давлениях кислорода и температурах осаждения составляет более 70% в спектральном диапазоне от 600 до 1800 нм, хотя подложка может частично поглощать свет. Пленки демонстрируют высокий коэффициент пропускания вплоть до ближней инфракрасной области, который требуется для применения TCO в солнечных элементах. Эта характеристика отличается от пониженного пропускания в ближней инфракрасной области из-за поглощения для большинства пленок TCO [20, 60]. Кроме того, у них также наблюдаются края фундаментального поглощения, которые лежат в ближней ультрафиолетовой области. Из рис. 6а видно, что края поглощения пленок SSNO, осажденных при 780 ° C, смещаются в более коротковолновую область при понижении давления кислорода от 20 до 1 × 10 ⁻³ Па, как более четко показано на вставке. Однако при фиксированном давлении кислорода 0,2 Па края поглощения пленок, выращенных при различных температурах подложки, почти перекрывались, как видно на рис. 6b, что указывает на то, что температура осаждения явно не модулирует оптические свойства пленок SSNO. Ширина запрещенной зоны E _г Количество пленок можно оценить по следующему уравнению:

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

The optical transmittance of the SSNO films fabricated at (a ) 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

где 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 _г is the separation between the bottom of the conduction band and the top of the valence band. Здесь 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 versus 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].