Nb-V 共掺TiO2透明导电薄膜光电性能研究

Transparent conducting oxide (TCO), extensively used as the window materials for opto-electronic device, has important academic and application value. In view of the low conductivity and transmittance in the Nb doped TiO2 (NTO) thin films based on the glass substrate, this project proposes a new method by using Nb-V co-doping to realize TCO electrode. With combination of multi analysis techniques, including synchrotron radiation X-ray absorption near edge spectrometry, ultraviolet photoelectron spectrometry, high resolution transmission electron microscopy, optical absorption spectrum and electric measurement, the doped-atom occupation, impurity level, defect types and their effects on the electric transport and optical transmittance will be investigated systematically. In addition, a highly orientated seed layer will be pre-deposited to induce an epitaxial growth of Nb-V co-doped TiO2 amorphous layer during the annealing re-crystallization process. This method can effectively reduce the crystal boundary, and enhance the performance of the NTO thin film.

透明氧化物导电薄膜作为光电器件的窗口材料，具有重要的学术和应用价值。本课题针对目前基于普通玻璃衬底制备的Nb 掺杂TiO2透明导电薄膜存在的电导率和透射率偏低问题，提出了Nb-V共掺TiO2制备透明导电电极的新思路。项目计划结合同步辐射近边X-射线吸收谱、紫外光电子能谱、高分辨透射电镜、光吸收和电学性质测试分析，系统地研究薄膜中掺杂原子配比、浓度、占位、杂质能级、缺陷类型对电输运和透射率的影响，并通过采用籽晶层诱导非晶层在后退火过程中取向外延生长的方法，减低晶界密度，进一步提升薄膜综合性能。

本项目将理论计算和实验相结合，研究了Nb和V共掺TiO2的光学和电学性质。理论研究结果表明，V和Nb分别为6%掺杂时，材料的带隙发生少量蓝移，紫外光吸收系数减小，费米能附近电子态密度得到极大增强，说明材料可以应用于透明导电电极材料。此外，研究还发现，共掺薄膜具有自旋电子极化的特性，极有可能应用于未来的自旋电子器件。实验研究结果表明， Nb和V共掺的TiO2薄膜的透光率和导电性质与薄膜制备中的氧含量和氢含量以及沉积气压有关。氢含量高有助于提高导电性，但引起透光率下降，氧含量高有助于透光率的提升，但引起电导率的降低。材料透明导电同时具备需要一定氢和氧含量的狭窄的窗口。沉积气压越低，对氢含量的需求越少，在0.2Pa的低沉积气压下，可以在没有氢的条件下实现透明导电特性。本项目从理论和实验出发，验证了项目所提出的Nb和V共掺TiO2实现透明导电电极的可行性，具有重要的应用价值。相关成果正在准备申请国家发明专利。发表相关SCI论文3篇，有一篇正在准备中。