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Advanced Electronic Materials: 过渡金属元素掺杂实现理想的n型透明导电氧化物

    透明导电氧化物材料由于其同时具有良好的透光性和导电性,被广泛应用于平板显示器、太阳能电池、发光二极管、智能窗等光电子器件中。目前工业界应用最广泛的n型透明导电氧化物为Sn掺杂的In2O3(ITO),然而ITO并非是理想的候选材料。因此,寻找可以更好的n型掺杂的In2O3是本领域的重要挑战之一,同时也具有非常重要的应用价值。相对于Sn元素,过渡金属元素中的价电子主要是由d电子所组成,d电子由于In2O3晶体对称性的原因并不会和In2O3导带底附近的能带发生强耦合,因此可以极大的保证体系中n型载流子的输运特性。同时,相对于Sns电子,d电子具有明显的多重价电子特性,可以有效的提高In2O3中的载流子浓度。

Advanced Electronic Materials: 过渡金属元素掺杂实现理想的n型透明导电氧化物

    最近,中国工程物理研究院北京计算科学研究中心黄兵教授、魏苏淮教授课题组和清华大学材料学院柳百新院士课题组合作通过第一性原理计算系统的研究了过渡金属元素在In2O3中的掺杂行为,并发现了掺杂行为中的一些普世规律。该工作研究者发现Mo可以表现出特殊的双重掺杂性能,依据Mo在In2O3中掺杂位置的不同,它既可以表现为非常有害的深能级施主缺陷也可以表现为有益的浅能级单施主缺陷。Mo的掺杂效率会随着In2O3薄膜生长温度的升高而增加,和实验观测到的结果相吻合。根据我们发现的普世掺杂规律,我们预言Zr,Hf和Ta是比Sn更好的理想的过渡金属掺杂元素类型。该理论发现也可以为提高其他氧化物的掺杂性能提供有意义的借鉴思路。相关文章发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201700553)上。




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