Sn掺杂In2O3和In2O3薄膜的电子输运性质研究

摘要

Sn掺杂的In2O3(ITO)薄膜集高的可见光透过率和低的电阻率于一身，在太阳电池、平面显示器及其他光电器件领域得到了广泛地应用。其室温电阻率ρ一般可低至1×10Ωcm，载流子浓度n介于1020-1021cm-3之间，比传统金属低2-3个数量级且具有自由电子的属性，这些特性为研究基础物理问题提供了良好的载体。本论文采用射频磁控溅射法制备了超薄ITO颗粒薄膜、不同厚度的二维ITO薄膜、均匀无序的三维ITO薄膜以及不同厚度的In2O3薄膜，分别研究了颗粒系统的电子-电子相互作用对霍尔系数和电导率的影响、ITO外延薄膜的生长过程、三维无序导体中的电子-电子散射以及表面电子态在In2O3薄膜中的作用等物理问题进行了系统研究。
　　在玻璃基底上生长了厚度为5-13nm的超薄ITO颗粒薄膜，并对其在2-300K的霍尔系数与电导率进行了系统测量，实验发现：所有样品的霍尔系数在2-120K温区均与lnT呈线性关系，并且经过和理论对比，这是来源于颗粒间电子-电子相互作用(EEI)的量子修正。同时，所有薄膜的电导率在2到几十K的温度范围内都遵从Δσ∝lnT的规律，这也是非均匀体系的库仑相互作用导致的。这些结果首次为近期金属颗粒体系中颗粒间的EEI理论提供了强有力的实验支持。另外，通过二维弱局域理论对磁电阻的分析可以得到电子的退相位时间ττφ，我们发现 ITO颗粒薄膜中的弱局域化效应的作用温度高达90 K，基于对退相干散射率1/τφ的定量分析，样品中传导电子的退相干机制在不同温度区间分别是小能量转移的电子-电子非弹性散射(T＜h/kBτe)和大能量转移的电子-电子非弹性散射(T＞h/kBτe)。
　　对于单晶基底YSZ上生长的ITO薄膜，系统研究了厚度从5.1nm到52.8nm薄膜的微观结构以及电输运性质的细微变化。SEM和XRD的测量结果表明，t≤16.8nm的薄膜是多晶的；而t≥26.7nm的薄膜沿[100]方向外延生长。通过电输运性质的测量，我们发现，t≥26.7nm薄膜表现出方块电导σ□曲线与温度的对数(lnT)呈现线性关系，并且霍尔系数的变化量△RH□/R□与电阻的变化量△R□/R□满足2倍的关系，实验结果与均匀无序系统中的EEI理论完全相符；t≤16.8nm薄膜表现出Δσ∝lnT和ΔRH∝lnT的行为源于颗粒间的EEI效应，并且△RH/RH与△R□/R□的比值与样品维度和颗粒的结构因子相关。另外，在具有颗粒结构的薄膜中，我们通过拟合△σμ∝lnT提取出的gT值正好满足颗粒间 EEI理论所要求的gT(≤)g0，随着薄膜厚度增加到均匀无序导体，gT值增加至与g0值相接近，最终达到没有任何物理意义的gT>g0。
　　对于厚度1um的无序均匀ITO薄膜，测量了4-35 K温度范围内磁电阻的变化。实验发现，通过3D弱局域理论对磁电阻的分析所提取出的退相干散射率与T3/2呈现很好的线性关系。另外，还发现在固定温度T时，薄膜的退相干散射率与k(-5/2)Fl-3/2也满足线性关系。3D无序导体中小能量转移的电子-电子非弹性散射可以很好的解释实验结果，首次为3D无序导体中存在电子-电子散射提供了坚实的实验依据。经过分析获知，在该三维体系中能观察到小能量转移的电子-电子非弹性散射的主要原因是通氧之后 ITO薄膜的载流子浓度比纯 Ar气氛下还要低1个量级，并且无序程度的范围又恰到好处，这在一定程度上抑制了电子-声子非弹性散射。
　　通过测量了不同厚度(从956到9nm)外延In2O3薄膜中电导率和载流子浓度的变化，发现超薄薄膜的电导率高达4000S/m，比较厚薄膜的增加了一个量级。观察到摇摆曲线的展宽和带隙尺寸的缩小，说明在In2O3薄膜中存在穿透位错密度较高的缓冲层以及随着表面层和体层比率增加而凸显出的表面效应。光学带隙以及PL谱的测量反映了薄膜表面层的能带结构不同于体带隙，并且薄膜表面氧空位形成浅施主能级。实验结果证实了TCOs材料表面确实存在氧缺陷，并且主导着薄膜高电导率的特性。

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第一章 绪论

1.1 介观系统

1.2 无序均匀系统的量子输运

1.3 金属性颗粒系统中的量子输运

1.4 ITO透明导电氧化物简介

1.5 存在的问题以及主要工作

第二章 样品的制备与表征

2.1 样品的制备

2.2 结构表征与物性测量

第三章 超薄ITO薄膜的电输运机制

3.1 超薄ITO薄膜的微观结构和电学性质

3.2 颗粒薄膜传导电子的退相干机制

3.3 二维ITO薄膜中颗粒体系到均匀体系的转变

3.4 本章小结

第四章 三维ITO薄膜的电输运机制

4.1 氧分压对薄膜微结构和电输运的影响

4.2 三维ITO薄膜的低温量子效应

4.3 本章小结

第五章 In2O3薄膜的导电性和超薄膜ES/Mott变程跳跃导电机制

5.1 晶体结构分析

5.2 光学结果分析

5.3 In2O3薄膜的高电导率的来源

5.4 In2O3薄膜中ES/Mott 变程跳跃的导电行为

5.5本章小结

第六章 结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢