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Advanced Electronic Materials: P型透明导电氧化物薄膜设计新思路:关联电子氧化物大有可为

一般而言,材料的透明特性和导电性互不兼容。自然界中透明的物质(如玻璃)往往不导电,导电的物质(如金属)往往不透明。目前,实现透明性和导电性共存的常用方法是选择宽禁带半导体或绝缘体以确保可见光区的高透明性,再通过元素掺杂来引入载流子以实现导电性。按照该方法可实现具有高可见光区透明性和良好导电性共存的一类非常重要的材料体系即透明导电氧化物。透明导电氧化物已广泛应用于平板显示、太阳能光伏电池、触摸屏和发光二极管等领域。

透明导电氧化物材料根据导电载流子的类型可分为n型即电子导电型和p型即空穴导电型。目前,投入商业应用的均为n型透明导电氧化物,p型材料的性能和应用远落后于n型材料体系。获得性能优良的p性透明导电氧化物,可实现透明二极管和透明场效应管等器件,从而极大地拓宽透明导电氧化物材料的应用领域,促进新的光电子器件及其相关产业的发展。

Advanced Electronic Materials: P型透明导电氧化物薄膜设计新思路:关联电子氧化物大有可为但是,目前高性能p型透明导电氧化物材料匮乏,其根本原因在于金属氧化物的电子结构与能带结构。金属氧化物中的金属原子与氧原子以离子键结合,氧的2p能级远低于金属的价带电子能级。由于氧离子具有很强的电负性,对价带顶的空穴具有很强的局域化束缚作用,从而即使在价带顶引入空穴,也将形成深受主能级,导致空穴载流子很难在材料中移动。最近,中国科学院固体物理研究所功能材料研究室朱雪斌课题组胡令副研究员报道了钙钛矿结构La2/3Sr1/3VO3薄膜可作为一种新型p型透明导电氧化物材料。在该薄膜材料中实现了导电性和光学透过率的良好平衡,获得了截止目前最高的透明导电优值。由于强的电子关联效应,LaVO3母体为莫特哈伯德绝缘体,其导带和价带源自钒的3d能级组成的上哈伯德带和下哈伯德带。体系的电子电子关联作用可有效调节LaVO3的能带结构和电子结构,从而形成本征p型导电特性。通过锶掺杂易于在LaVO3Advanced Electronic Materials: P型透明导电氧化物薄膜设计新思路:关联电子氧化物大有可为的价带顶引入高浓度空穴载流子从而实现优越的导电特性。此外,La2/3Sr1/3VO3在可见光区由d-d带间跃迁所导致的吸收系数约为105cm-1,通过减小薄膜厚度可实现薄膜材料的高透明特性。该结果为探索高性能p型透明导电氧化物提供了新思路。相关结果发表在Advanced Electronic Materials 4, 1700476 (2018) (DOI:10.1002/aelm.201700476)上,并被选为卷首插页。




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