Sn摻雜In2O3和In2O3薄膜的電子輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、Sn摻雜的In2O3(ITO)薄膜集高的可見(jiàn)光透過(guò)率和低的電阻率于一身，在太陽(yáng)電池、平面顯示器及其他光電器件領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。其室溫電阻率ρ一般可低至1×10Ωcm，載流子濃度n介于1020-1021cm-3之間，比傳統(tǒng)金屬低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)且具有自由電子的屬性，這些特性為研究基礎(chǔ)物理問(wèn)題提供了良好的載體。本論文采用射頻磁控濺射法制備了超薄ITO顆粒薄膜、不同厚度的二維ITO薄膜、均勻無(wú)序的三維ITO薄膜以及不同厚度的In2O3薄膜，

2、分別研究了顆粒系統(tǒng)的電子-電子相互作用對(duì)霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的影響、ITO外延薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程、三維無(wú)序?qū)w中的電子-電子散射以及表面電子態(tài)在In2O3薄膜中的作用等物理問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　在玻璃基底上生長(zhǎng)了厚度為5-13nm的超薄ITO顆粒薄膜，并對(duì)其在2-300K的霍爾系數(shù)與電導(dǎo)率進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：所有樣品的霍爾系數(shù)在2-120K溫區(qū)均與lnT呈線性關(guān)系，并且經(jīng)過(guò)和理論對(duì)比，這是來(lái)源于顆粒間電子-電子相互作用(EEI)

3、的量子修正。同時(shí)，所有薄膜的電導(dǎo)率在2到幾十K的溫度范圍內(nèi)都遵從Δσ∝lnT的規(guī)律，這也是非均勻體系的庫(kù)侖相互作用導(dǎo)致的。這些結(jié)果首次為近期金屬顆粒體系中顆粒間的EEI理論提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)支持。另外，通過(guò)二維弱局域理論對(duì)磁電阻的分析可以得到電子的退相位時(shí)間ττφ，我們發(fā)現(xiàn) ITO顆粒薄膜中的弱局域化效應(yīng)的作用溫度高達(dá)90 K，基于對(duì)退相干散射率1/τφ的定量分析，樣品中傳導(dǎo)電子的退相干機(jī)制在不同溫度區(qū)間分別是小能量轉(zhuǎn)移的電子-電子非彈

4、性散射(T＜h/kBτe)和大能量轉(zhuǎn)移的電子-電子非彈性散射(T＞h/kBτe)。
　　對(duì)于單晶基底YSZ上生長(zhǎng)的ITO薄膜，系統(tǒng)研究了厚度從5.1nm到52.8nm薄膜的微觀結(jié)構(gòu)以及電輸運(yùn)性質(zhì)的細(xì)微變化。SEM和XRD的測(cè)量結(jié)果表明，t≤16.8nm的薄膜是多晶的；而t≥26.7nm的薄膜沿[100]方向外延生長(zhǎng)。通過(guò)電輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)，t≥26.7nm薄膜表現(xiàn)出方塊電導(dǎo)σ□曲線與溫度的對(duì)數(shù)(lnT)呈現(xiàn)線性關(guān)系，并且霍

5、爾系數(shù)的變化量△RH□/R□與電阻的變化量△R□/R□滿足2倍的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與均勻無(wú)序系統(tǒng)中的EEI理論完全相符；t≤16.8nm薄膜表現(xiàn)出Δσ∝lnT和ΔRH∝lnT的行為源于顆粒間的EEI效應(yīng)，并且△RH/RH與△R□/R□的比值與樣品維度和顆粒的結(jié)構(gòu)因子相關(guān)。另外，在具有顆粒結(jié)構(gòu)的薄膜中，我們通過(guò)擬合△σμ∝lnT提取出的gT值正好滿足顆粒間 EEI理論所要求的gT(≤)g0，隨著薄膜厚度增加到均勻無(wú)序?qū)w，gT值增加至與g0值

6、相接近，最終達(dá)到?jīng)]有任何物理意義的gT>g0。
　　對(duì)于厚度1um的無(wú)序均勻ITO薄膜，測(cè)量了4-35 K溫度范圍內(nèi)磁電阻的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)3D弱局域理論對(duì)磁電阻的分析所提取出的退相干散射率與T3/2呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。另外，還發(fā)現(xiàn)在固定溫度T時(shí)，薄膜的退相干散射率與k(-5/2)Fl-3/2也滿足線性關(guān)系。3D無(wú)序?qū)w中小能量轉(zhuǎn)移的電子-電子非彈性散射可以很好的解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首次為3D無(wú)序?qū)w中存在電子-電子散射提供了堅(jiān)實(shí)的

7、實(shí)驗(yàn)依據(jù)。經(jīng)過(guò)分析獲知，在該三維體系中能觀察到小能量轉(zhuǎn)移的電子-電子非彈性散射的主要原因是通氧之后 ITO薄膜的載流子濃度比純 Ar氣氛下還要低1個(gè)量級(jí)，并且無(wú)序程度的范圍又恰到好處，這在一定程度上抑制了電子-聲子非彈性散射。
　　通過(guò)測(cè)量了不同厚度(從956到9nm)外延In2O3薄膜中電導(dǎo)率和載流子濃度的變化，發(fā)現(xiàn)超薄薄膜的電導(dǎo)率高達(dá)4000S/m，比較厚薄膜的增加了一個(gè)量級(jí)。觀察到搖擺曲線的展寬和帶隙尺寸的縮小，說(shuō)明在In2