Sn掺杂CdO透明导电薄膜的制备和光电性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明理工大学 作者:郑必举

  通过脉冲激光法在石英玻璃基底上沉积了锡掺杂氧化镉(Sn-CdO)透明导电薄膜。X射线衍射,分光光度计和霍尔效应仪检测了薄膜的结构、光学和电学性能。结果表明Sn的掺杂提高了薄膜[111]方向的择优生长,而且促使了(200)晶面衍射角增大。Sn-CdO薄膜的光学禁带宽度随着Sn掺杂含量的增加而变宽。另外,适量的Sn掺杂可以明显改善CdO薄膜的电学性能,比如2.9 at%Sn掺杂CdO薄膜的电阻率是未掺杂薄膜的十二分之一,载流子浓度是未掺杂的十三倍。因而光学和电学性能的改良使得Sn-CdO薄膜作为透明导电材料具有重要的应用价值。

  透明导电氧化物(TCO) 薄膜在微电子和纳米电子学领域具有重要意义,主要用于光电子器件的发展[1]。目前不同金属氧化物材料正在被广泛的研究,以便找到一个低成本和高性能的材料来替代现有的半导体(如ITO)。透明导电氧化物过去主要用作电子器件的导电电极,而现在通过广泛的研究可使其应用在大部分透明有源器件中。最近,n 型透明导电氧化物(n- TCOs),如ZnO,CdO,InO,SnO2,ITO 和p 型透明导电氧化物(p- TCOs), 如CuAlO2, SrCu2O2 等,由于它们在光电太阳能气体传感器和其它光电子器件等领域具有重要的应用前景[2,3],而受到了相当多的关注。在这些TCOs 之中,氧化镉(CdO)具有低的电阻率和高的载流子浓度,因而其在光电子器件中具有广泛的应用前景[4]。然而,与其它TCOs 相比,CdO 薄膜的禁带宽度较小,大大限制了其应用。

  目前,不同实验方法测得的CdO 薄膜的禁带宽度在2.2 eV~2.7 eV 之间[5,6],而且通常情况下未掺杂CdO 薄膜的电阻率很低,原因是其晶体结构里含有大量的本征氧空位和镉间隙。为了与其它现有的TCOs 薄膜竞争,如宽带隙ZnO 在不同领域的广泛应用,CdO 薄膜的禁带宽度应该在没有损害它的电学特性的情况下变宽。因此,一些研究者尝试Ti,Al 和Dy 等掺杂CdO 薄膜[7~10]。研究发现Ti,Al 等金属掺杂可以使禁带宽度提高到2.74 eV~2.84 eV,同时提高了CdO 薄膜的电导率[7~9]。但是,Dy 掺杂CdO 薄膜的禁带宽度却减少了20%,原因是收缩效应[10]。为了进一步增加CdO 薄膜的禁带宽度和导电率,人们努力寻求其它合适的CdO 薄膜掺杂金属。众所周知,Sn4+ 的离子半径是0.071 nm,比Cd2+ 的(0.097 nm)稍微小点,而且Sn 的电负性是1.96 Pauling,比Cd 的大些。因此,我们期待Sn4+ 离子替换Cd2+ 离子后应该能够改良其电学性能。在本文中,我们研究不同Sn 含量掺杂对CdO 薄膜的结构、电学和光学性能的影响。

  本文详细研究了Sn 掺杂含量对CdO 薄膜的结构、光学和电学性质的影响。X 射线衍射分析所有Sn- CdO 薄膜都是立方晶体结构。此外,当掺杂Sn 含量达到7.6 at%时有SnO2 相出现,这说明Sn元素在CdO 晶格中的最大固溶度小于7.6 at%。适量的Sn 含量掺杂(Sn 2.9 at%) CdO 薄膜具有高的载流子浓度4.53×1020 cm- 3 和低的电阻率1.59×10- 4 Ωcm。所有Sn- CdO 薄膜在紫外可见光范围内都具有很高的透过率,并且与未掺杂CdO 薄膜相比其禁带宽度都得到了增加。

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