氧化铟锡半导体材料表面吸附性质的密度泛函理论研究

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本文根据密度泛函理论计算研究了In2O3和ITO(100)表面的表面形态以及气体小分子,如氧气、水分子、氨分子和乙烯分子在其表面吸附机制。首先研究了不同In2O3、ITO块体性质,发现计算结果与实验报道结果一致。由于铟锡氧化物表面的表层计量比,计算了各种不同表面计量比的表面内聚能,例如从富铟表面到不同程度氧化的表面(Ins∶Os=2∶1~2∶3),发现富铟表面极易被O2氧化,完全氧化的表面(Ins∶Os=2∶3)就是富氧表面,其和富铟表面代表实际存在的符合化学计量比实际表面。本文的计算解释了实验中观察到的表层氧二聚体和氧原子的来源。通过计算表面Sn掺杂,证明了b位较稳稳定并且Sn原子趋于在表面聚集,与实验报道和其他人计算结果一致。通过计算对比富铟表面和富氧表面水分子和氧分子竞争吸附,发现富铟表面暴露在空气中优先发生氧化,当表面计量比Ins∶Os=2∶3时,氧化表面转变成富氧表面。富氧表面是氧化环境中稳定存在的表面,富铟表面是还原环境中稳定存在的表面。富氧表面更容易发生水分子的解离吸附过程。氨分子在In2O3、ITO富铟表面和富氧表面的吸附较H2O、O2弱,但是氨分子覆盖的表面呈现电正性,有利于提高ITO材料空穴注入效率。乙烯分子在In2O3、ITO富氧表面发生强烈吸附(强放热过程),形成表层正电吸附质层,因此乙烯分子表面表征的In2O3、ITO材料同样能够有效的提高材料的空穴注入能力。
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