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一文了解通明导电薄膜资料ITO

通明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO)是一种在可见光光谱规模(380nm < λ < 780nm)透过率很高且电阻率较低的薄膜资料。TCO薄膜资料首要有CdO、In2O3、SnO2和ZnO等氧化物及其相应的复合多元化合物半导体资料。

开展进程:

(1) 1907 年Badeker等人榜首次经过热蒸腾法制备了CdO通明导电薄膜,开端了对通明导电薄膜的研讨和使用

(2) 十九世纪 50 年代别离开宣布依据 SnO2和 In2O3的通明导电薄膜

(3) 随后的 30 年里又呈现了ZnO基的薄膜

这个时期,TCO资料首要依据这三种系统:In2O3、SnO2、ZnO。可是,一种金属氧化物薄膜的功能因为资料包括元素固有的物理性质不能满意人们的要求。为了优化薄膜的化学和光电性质,完成高透射率和低电阻率,科学家们做了进一步的研讨。

(4) 20 世纪 90 年代,日本和美国一些科研机构开端了两种以上氧化物组成的多元化合物资料的研讨与开发,经过调整成分与化学配比来取得所需的TCO资料

现在,使用最多的几种TCO资料是:氧化铟锡(ITO, In2O3: Sn),掺铝的氧化锌(AZO,ZnO: Al),掺氟的氧化锡(FTO, SnO2: F),掺锑的氧化锡(ATO, Sn2O: Sb)等。

TCO的使用范畴十分广,首要用于液晶显现器的通明电极、188bet怎么样、柔性OLED屏幕、光波导元器材以及薄膜太阳能电池等范畴。

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在通明导电氧化物薄膜中,ITO具有很高的可见光透射率(90%),较低的电阻率(10-4~10-3Ω?cm),较好的耐磨性,一起化学功能安稳。因而,ITO在TCO薄膜中的比重最高。

ITO在一般状况下为体心立方铁锰矿结构,是依据In2O3晶体结构的掺杂,In2O3中In原子是六配位,O原子是四配位。In2O3晶体结构中本征缺位(氧缺位)和Sn4+代替In位两种机制一起贡献了很多自由电子,因而ITO为n型半导体,载流子浓度在1021/cm3左右,为重掺杂。

导电机制如下:

氧化铟锡的导电机制首要触及两方面的要素——本征缺点和杂质缺点。In2O3晶格中立方体的六个顶角处被氧原子占有,留下两个氧缺位,这样会使得的接近缺位和远离缺位的两种氧离子不等价。在复原气氛中, In2O3中的部分氧离子生成氧气(或与复原剂结组成其他物质)分出,留下一个氧空位,而剩余的电子在In2O3中构成满意化学计量比的In3+2-x(In3+·2e)xO2-3-x,反应式表明为:

In2O3 → In3+2-x(In3+·2e)xO2-3-x + x/2 O2

当In2O3掺入必定比例的锡后,高价的锡离子( Sn4+ )占有了铟( In3+ )位,然后发作一个电子,最终构成了这样的结构In3+2-x(Sn4+·e)xO3。掺杂反应式如下:

In2O3+x Sn4+ →In3+2-x(Sn4+·e)xO3+ x In3+

在低温度下堆积的ITO薄膜中氧缺位供给的电子对其杰出的电导率起首要效果;在高温下堆积或进行过退火工艺的ITO薄膜中,Sn4+对In3+的替代发作的电子成为载流子的首要来历。

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作为直接带隙的半导体资料,ITO的禁带宽度一般在3.5~4.3 eV规模内。未掺杂的In2O3带隙为3.75 eV,导带中电子的有用质量为:mc≈ 0.35m0,其间m0为自由电子的质量。因为Sn的掺入,导带底部会构成n型杂质能级。逐步增加Sn的量,费米能级EF也不断向上移动,当移至导带底部,此刻的载流子浓度被界说为临界值nc。经过Mottv’s Criterion原则能够得到nc的值:

nc1/3a0*≈0.25

其间a0*为有用波尔半径,约为1.3nm,故求得临界浓度为7.1×1018/cm3。ITO薄膜载流子浓度一般在1021/cm3以上,归于重度掺杂,大于临界浓度,因而其导带中的低能态被电子填充。因为Burstein-Moss 效应,ITO薄膜的光学带宽增加,实践光谱吸收限波长蓝移。带隙的增量能够表明为:

ΔEgBM (n)= h/2{1/mc*+1/mv*}(3π2n)2/3

与之相反的,杂质原子的电子波函数会发作堆叠,单一的杂质能级扩展构成能带,而且与导带底相连,构成新的简并导带,导致其尾部扩展至禁带中,然后使得禁带变窄。别的,还有其他一些要素致使ITO禁带宽度变窄,如多体效应,电子空穴之间屏蔽增加所导致的激子结合强度减小,晶体自能的改动。可是一般Burstein-Moss 效应占主导地位。

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图中Eg,Eg别离表明In2O3和ITO的禁带宽度,ITO薄膜实践的光学带隙一般大于未掺杂In2O3的带隙。ITO所具有的宽光学带隙的特点是其作为高透射率薄膜资料的必要条件。

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