SNO2掺Sb薄膜导电机理

ＳＮＯ2掺Ｓｂ薄膜导电机理

【摘要】：透明导电膜是一种重要的光电材料，应用广泛。对SnO2薄膜电学性能的研究表明，适量的Sb掺杂能显著提高薄膜的导电性能，但是过量的掺杂会导致导电性能的下降。

【关键词】：透明导电薄膜；导电性能；锑掺杂二氧化锡薄膜；导电率

中国分类号：TP396 文献标识码：A 文章编号：1002-6908（2007）0220020-01

近年来，随着科学技术的发展，高分辨率，大尺寸平面显示器，太阳能电池，节能红外反射膜，电致变色窗等广泛应用，对透明导电薄膜的需求愈来愈大。透明导电薄膜主要用于透明电极、屏幕显示、热反射镜、透明表面发热器、柔性发光器件、塑料液晶显示器等领域。这就要求透明导电薄膜不但要有好的导电性，还要有优良的可见光透光性。根据材料的不同，将透明导电薄膜分为金属透明导电薄膜、氧化物透明导电薄膜、非氧化物透明导电薄膜及高分子透明导电薄膜。当前，氧化物及其复合氧化物薄膜的研究十分引人注目，特别是采用SnO2为本要成分的SnO2掺Sb（简称ATO）薄膜。

1.导电机理

1.1 纯SnO2薄膜

SnO2是一种n型半导体，禁带宽度Eg大于3eV，有高的透光性。SnO2薄膜的特点是膜强度好，具有优良的化学稳定性，具有光学各向异性的特点。如果SnO2薄膜的成分太纯，则导电性和透明性互相矛盾。理论上纯净的SnO2薄膜导电性很差，但就实际薄膜而言，Sn原子往往会局部过剩，过剩的Sn原子起着施主作用，多余的电子将占据能量高于禁带的导带中一部分能级，所以能表现出导电性能。

1.2 掺Sb的SnO2薄膜

研究发现，SnO2薄膜的组成偏离化学计量比，可以采取掺杂的办法提高薄膜的导电率，使其具有高的导电性。SnO2晶体是四方相金红石结构，正负离子配位数为6：3，每一个Sn离子都与6个O离子相邻，每个O离子都与3个Sn 离子相邻，掺入Sb离子容易成为替位离子占据Sn离子的位置。Sb5+离子占据晶体格中Sn离子的位置，形成一个一价正电荷中心和一个多余的价电子，这个价电子挣脱束缚而成为导电电子。因此掺入Sb的结果是增加了净电子，使晶粒电导率增加。

掺Sb的SnO2薄膜的导电率主要来源于其高载流子浓度。对于ATO导电材料的导电机理研究，国内外已有报道，但是还没有定论。L.D.Loch研究了ATO 材料在100～900℃温度范围内的导电机理，认为ATO是一种n型半导体材料，

导电载流子主要由锑掺杂提供。R.W.Mar研究表明高于627℃后载流子主要是氧年位，而M.K.Paria研究了在不同温度和不同氧分压下ATO材料的导电性能，提出氧分压＞1Pa时，幼主要是以+5价存在，材料载流子主要是双电离的氧空位。

C.Terrier的实验研究表明，随着Sb掺杂量的增加，Sb可能存在的两种价态分别是Sb3+和Sb5+，而这两种离子之间可前存在一种竞争的机制。当掺杂量较少时，Sb5+(n型掺杂）占主导地位，使得材料的导电性显著提高；随着掺杂量的增加，Sb3+(p型掺杂）开始出现并不断增加，两种离子间的互补效应导致材料的导电性能下降。

2.掺Sb的SnO2薄膜的制备

2.1 前驱液的制备

将一定量的Sncl2·2H2O溶于无水乙醇（C2H5OH）中，另取一定配比量的SbC13将于无水乙醇（C2H5OH），然后分别加热封闭搅拌，再将SbCl13溶液缓慢滴加入SnC12溶液，然后继续搅拌最后静置陈化一段时间，形成澄清透明浅黄色溶胶液。

2.2 玻璃基板的清洗

将普通载玻片放入稀硫酸中浸泡后，取出用清水冲洗干净，然后用两酮浸泡清洗，再放入无水乙醇（C2H5OH）中清洗，最后用去离子水冲洗烘干待用。

2.3 蒸发镀膜

将前驱液作为蒸发源与被隔菜板放入电炉中加热一段时间，产玻璃基板表面通过蒸发沉积形成掺Sb的SnO2薄膜。

3.掺别的SnO2薄膜光电性能

3.1 光学性能

根据电磁场在介质中传播理论，导电膜的光学禁带宽度决定了对电磁波的吸收、透射。要使可见光的全部波长都能通过而表现为透明态，则其透明导电膜的光学禁带宽度要大于3.leV。ATO膜的基本吸收边缘大约位于300nm左右，由E=hv计算可得对应的光学禁带宽度约为4.14eV，在可见光范围内透射率大于88％。透射区的频率下限决定于自由载流子的等离子振荡频率：

其中：Nc为载流子浓度，为没有自由载流于时的介电常数，为真空介电常数，m*为自山载流子的有效质量，弛豫时间，即发生两次散射之间的平均间隔时间。p随着载流子浓度的增大而增大。当入射电磁波等于p时，自山载流子作为整体与之发生共振，自由载流子吸收增大。苦略去吸收，则对频率低于p

的电磁波表现为强反射，对频率高于p的电磁波表现为透射。

3.2 掺杂对导电性能的影响

ATO薄膜晶体中Sb通常以替位原子的形式代替Sn的位置。在掺杂不引起晶体结构变化的情况下，ATO薄膜的电阻率随Sb浓度的增加而减少，当Sb浓度高到某一。定程度后，过量的掺杂会使电离杂质散射增加，导致载流子迁移率下降，从而使电阻率随Sb浓度的增加而增加。最佳Sb浓度在0.4～3％mol的范围，对应的电阻率为10-3Ωm，可见光透过率在80～90%。

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