铟、锌、钛基透明导电氧化物的电子结构及光电性质

论文摘要

透明导电氧化物薄膜集对可见光的良好透过率和高的电导率于一身,使得这类材料在太阳电池、液晶及等离子体高清晰显示、智能视窗以及建筑物的节能玻璃窗等诸多领域都获得了广泛的应用。本论文对ITO、ZnO:B和ZnO:Al薄膜的结构、电输运性质和光学性质进行了系统的实验研究,并采用基于密度泛函理论的局域密度近似方法计算了ZnO、ZnO:B和TiO2、TiO2:Nb的电子结构和光学性质。在基片温度T≤100℃时得到的ITO薄膜是具有半导体导电特性的非晶薄膜。基片温度T≥120℃时得到的多晶薄膜在高温（ > 100K）时表现为金属导电特性,在较低温度（ T < 80K）电阻温度系数变为负值,而薄膜的磁电导均为正值。研究发现,负的电阻温度系数来源于弱局域效应及库仑相互作用对载流子输运的影响,并且,电子-电子散射是样品中主要的非弹性散射过程。在基片温度为150℃下制备了具有金属导电特性的ZnO:B薄膜,通过对样品的磁电阻数据进行分析,发现其中负的部分来源于弱局域效应,而正的部分可用二能带模型很好地描述,并且,低温下载流子的非弹性散射主要是电子-电子散射,而库仑相互作用是样品低温下反常电导率的主要来源。在不同厚度（463.63 nm、203.03 nm和66.85 nm）的ZnO:Al薄膜中观察到的负的磁电阻部分并非来自弱局域效应,而是来源于局域磁矩对传导电子的散射。第一性原理计算显示,ZnO的费米能级位于带隙中,显示出半导体特性,导带底起伏较大,说明其中载流子有效质量较小。ZnO:B的费米能级位于导带,显示了金属导电性,价带顶与费米能级间的能量差大于纯ZnO的带隙,施主能级位于导带,在带隙中未观察到杂质能级,这与实验上得到的ZnO:B的载流子浓度与温度无关相对应。TiO2:Nb的费米能级位于导带,表现出金属特性;价带顶与费米能级间的能量差大于纯TiO2的带隙,这可以解释实验上观察到的当Nb掺入TiO2时的蓝移现象;光学性质计算给出,基本吸收边位于可见光光子能量以上,在高于和低于基本吸收边均有吸收现象,而后者（位于可见光区域）吸收系数比前者的数值低了三个数量级,从而解明了TiO2:Nb薄膜对可见光透明的物理本性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 前言
• 1.1 透明导电氧化物
• 1.1.1 TCOs 薄膜的基本特性
• 1.1.2 TCOs 薄膜制备方法
• 1.2 弱局域效应
• 1.2.1 无序系统的研究历史
• 1.2.2 弱局域效应
• 1.2.3 弱局域效应及相互作用效应研究进展
• 1.3 第一性原理计算
• 1.3.1 密度泛函理论
• 1.3.2 固体光学常数间的基本关系
• 1.3.3 TCOs 材料电子结构计算的研究进展
• 1.4 本论文的工作
• 第二章 样品的制备、测量手段及理论计算方法
• 2.1 样品的制备
• 2.1.1 ITO 薄膜的制备
• 2.1.2 B 掺杂的ZnO 薄膜的制备
• 2.1.3 Al 掺杂的ZnO 薄膜的制备
• 2.2 样品测量手段
• 2.2.1 结构表征及价态分析
• 2.2.2 光学性质测量
• 2.2.3 电学性质测量
• 2.3 计算方法
• 第三章 ITO 薄膜的结构、电输运性质及光学性质
• 3.1 不同基片温度下制备的ITO 薄膜的物性
• 3.1.1 结构特征
• 3.1.2 原子价态
• 3.1.3 电输运性质
• 3.1.4 光学性质
• 3.2 不同氧气压强下制备的ITO 薄膜的物性
• 3.3 本章小结
• 第四章 ZnO 基半导体的结构、电输运性质及光学性质
• 4.1 ZnO:B 薄膜的结构、光学性质、电输运性质的实验研究
• 4.1.1 ZnO:B 薄膜的结构
• 4.1.2 ZnO:B 薄膜的低温电输运性质
• 4.1.3 ZnO:B 薄膜的光学性质
• 4.2 ZnO:Al 薄膜的结构和电输运性质的实验研究
• 4.3 ZnO 基半导体的电子结构及光学性质的理论计算
• 4.3.1 纯ZnO 的电子结构及光学性质
• 4.3.2 B 掺杂的ZnO 的电子结构及光学性质
• 4.3.3 Al 掺杂的ZnO 的电子结构及光学性质
• 4.4 本章小结
• 2的电子结构和光学性质'>第五章 TiO₂的电子结构和光学性质
• 2的电子结构'>5.1 纯TiO₂的电子结构
• 2 的电子结构'>5.2 Nb 掺杂TiO₂的电子结构
• 2和Nb 掺杂TiO₂的光学性质'>5.3 纯TiO₂和Nb 掺杂TiO₂的光学性质
• 2的电子结构及光学性质'>5.4 Ta 掺杂TiO₂的电子结构及光学性质
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间完成的学术论文
• 致谢