近期, 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室在透明導電氧化物 (transparent conducting oxide, TCO) 薄膜研究方面取得系列進展, 相關成果相繼在Advanced Electronic Materials(Adv. Electron. Mater. 4, 1700476 (2018)), Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C 5, 1885 (2017)), Chemical Communications (Chem. Commun. 50, 9697 (2014))等雜誌上發表.
一般而言, 材料的透明特性和導電性互不相容. 自然界中透明的物質(如玻璃)往往不導電, 導電的物質(如金屬)往往不透明. 實現透明性和導電性共存的主要措施是選擇寬禁帶半導體或絕緣體以確保可見光區的高透明性, 再通過元素摻雜來引入載流子以實現導電性. 按照該方法可實現具有高可見光區透明性和良好導電性共存的一類非常重要的材料體系即TCO. 迄今, TCO薄膜已廣泛應用於平板顯示, 太陽能光伏電池, 觸摸屏和發光二極體等領域.
TCO材料根據導電載流子的類型分為n型即電子導電型和p型即空穴導電型. 在n型TCO方面, 近來有相關報道表明, 寬頻隙鈣鈦礦BaSnO3基TCO表現出很高的室溫載流子遷移率, 因而有望取代廣泛應用的錫摻雜氧化銦 (In2O3:Sn, ITO) 成為下一代TCO材料. 固體所研究人員基於溶液法製備出了鈣鈦礦BaSnO3薄膜, 經La元素摻雜及薄膜位錯密度調控, 獲得了具有與真空法製備的BaSnO3薄膜相比擬的室溫載流子遷移率 (~23 cm2/Vs) , 且可見光透過率超過80%, 並提出氧空位是決定該體系載流子遷移率的重要調控因素. 相關結果發表於Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 106, 101906 (2015)). 進一步, 科研人員通過在Sn位Sb摻雜提高了薄膜的載流子濃度, 實現了薄膜電導率的大幅提升, 構建了BaSnO3基薄膜溶液法生長機理與光電性能的關聯. 相關結果發表於ACS Applied Energy Materials (ACS Appl. Energy Mater. 1, 1585 (2018)).
與n型TCO相比, p型材料的性能和應用遠落後於n型材料體系. 這源於金屬氧化物的電子結構與能帶結構: 金屬氧化物中的金屬原子與氧原子以離子鍵結合, 氧的2p能級遠低於金屬的價帶電子能級. 由於氧離子具有很強的電負性, 對價帶頂的空穴具有很強的局域化束縛作用, 從而即使在價帶頂引入空穴, 也將形成深受主能級, 導致空穴載流子很難在材料中移動. 理論設計已表明在銅鐵礦體系中可獲得透明和p型導電共存. 而Ag基和Cu基銅鐵礦相比較而言, 具有更寬的光學帶隙及更低的光吸收係數. 但由於Ag2O易於分解, 導致Ag基銅鐵礦無法在開放系統中成功製備. 固體所研究人員基於溶液法首次在開放系統中成功製備了Ag基p型銅鐵礦AgCrO2薄膜. 該薄膜表現出(00l)晶面自組裝生長特徵, 且表現出較高的室溫電導率及可見光透過率. 相關結果發表於Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C 5, 1885 (2017)), 並被選為封面及2017年度熱點文章.
此外, 研究人員基於電子-電子關聯作用可有效調節材料的能帶結構和電子結構, 設計並製備了兩種新型p型TCO薄膜. 採用溶液法製備了強關聯Bi2Sr2Co2Oy薄膜, 該薄膜表現出優良的p型透明導電特徵, 室溫電導率超過222 S/cm, 可見光區透過率超過50%. 相關結果發表於Chemical Communications (Chem. Commun. 50, 9697 (2014)). 採用脈衝雷射沉積製備了一種新型p型透明導電氧化物薄膜材料——鈣鈦礦結構La2/3Sr1/3VO3. 在該薄膜材料中實現了導電性和光學透過率的良好平衡, 獲得了截至目前最高的透明導電優值. 相關結果發表於Advanced Electronic Materials (Adv. Electron. Mater. 4, 1700476 (2018)), 並被選為卷首插頁.
