氟钨共掺SnO2低辐射薄膜光学和电学性能的研究

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SnO2基薄膜在节能玻璃领域具有重要的研究意义。本文通过密度泛函理论第一性原理计算研究了W、F掺杂对改善SnO2基薄膜导电性的影响。利用气溶胶辅助化学气相沉积法(AACVD),以单丁基三氯化锡(MBTC)为锡源,氟化铵(NH4F)为氟源,六氯化钨(WCl6)为钨源,镀膜温度为500℃,在玻璃基底上沉积W掺杂SnO2薄膜和W、F共掺杂SnO2薄膜,研究了单掺及共掺杂对SnO2薄膜微观结构,光学和电学性能的影响。采用XRD,SEM,紫外分光光度计,霍尔测量仪,PL谱,XPS等多种测试手段对薄膜的结构组成、择优取向、表面形貌、透过率、电阻率、载流子浓度、缺陷能级和元素状态进行了表征和分析,主要实验结果如下:第一性原理计算结果表明,F和W原子的引入导致纯SnO2的费米能级进入导带,即掺杂之后SnO2从直接带隙转变为间接带隙,使得材料表现出金属性质。在SnO2中单独掺入少量的W元素替代了原SnO2晶体结构中的Sn元素,进而改变了替代位周围价电子的结合强度,提高了导电性。F替代原结构中的O元素进一步改变了替代位周围价电子的结合强度。不同W掺杂比例的SnO2薄膜均为四方金红石结构,并且为(200)择优取向。随着掺杂浓度的增高,透过率和电阻率都是先增加后降低,在W掺杂比例为2 at.%时,光学和电学性能都达到最优值。此时,可见光平均透过率为73.44%,光学带隙值为4.03 eV,最小电阻率为24.0×10-4Ω·cm,载流子浓度和霍尔迁移率分别为2.608×1020 cm-3和0.935 cm2·V-1·s-1。W掺SnO2薄膜含大量的氧空位等缺陷,氧空位的增加可以提高载流子浓度,降低薄膜电阻。W、F共掺杂SnO2薄膜的光学和电学性能比较优异。当W、F的掺杂比例分别为2 at.%和30 at.%时,薄膜平均透过率为73.90 nm,载流子浓度达到14.71×1020 cm-3,比未掺杂SnO2薄膜的载流子浓度高出一个数量级。光致发光研究表明氧空位对发光峰强度具有重要影响,氧空位浓度增加可导致发光峰强度增加,同时氧空位浓度增加也可提高薄膜的导电性能。XPS结果表明W和F成功进入SnO2晶格中,并且W是以W6+存在于晶格中。
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