Optimalisatie van elektrisch en optisch rendement van Nb-gedopeerde SrSnO₃ epitaxiale films via gepulste laser depositie

Samenvatting

Nb-gedopeerde SrSnO₃ (SSNO) dunne films werden epitaxiaal gegroeid op LaAlO₃(001) einkristal substraten met gepulste laser depositie onder verschillende zuurstofdrukken en substrattemperaturen. De kristallijne structuur, elektrische, en optische eigenschappen van de films werden in detail onderzocht. Röntgendiffractie resultaten tonen aan dat het celvolume van de films geleidelijk afneemt met toenemende zuurstofdruk terwijl de epitaxiale karakteristiek behouden blijft. Röntgenfotoelektronspectroscopie analyse bevestigt de Nb⁵⁺ oxidatietoestand in de SSNO films. Hall-effect metingen werden uitgevoerd en de film bereid bij 0,2 Pa met 780 °C substrattemperatuur vertoont de laagste kamertemperatuur resistiviteit van 31,3 mΩcm en Hall mobiliteit van 3,31 cm²/Vs met een dragerconcentratie van 6,03 × 10¹⁹/cm³. Temperatuur-afhankelijke resistiviteit van dit monster toont metaal-halfgeleider overgang en wordt voornamelijk verklaard door elektronen-elektronen effecten. Optische doorzichtbaarheid van de films is meer dan 70% in het golflengtebereik van 600 tot 1800 nm. De bandgaten nemen toe van 4,35 tot 4,90 eV voor het indirecte gat en 4,82 tot 5,29 eV voor het directe door de zuurstofdruk te verlagen van 20 tot 1 × 10⁻³ Pa, wat geïnterpreteerd kan worden door Burstein-Moss effect en zuurstofvacatures gegenereerd in de hoge vacuüm.

Achtergrond

Transparante geleidende oxiden (TCO) zijn buitengewone materialen die zowel lage elektrische resistiviteit als hoge optische doorzichtbaarheid hebben. De combinatie van deze twee significante kenmerken maakt TCO sleutelmaterialen voor wijdverspreide toepassingen in optoelektronische apparaten, zoals pn juncties, veld-effect transistors, en zonnecellen. Als typisch TCO materiaal, is Sn-gedopeerde In₂O₃ wijd gebruikt vanwege zijn hoge doorlaatbaarheid van meer dan 90% in het zichtbare spectrale gebied en uitstekende geleiding van 1 × 10⁴ S/cm. Andere bekende TCO's, inclusief Al-gedopeerde ZnO en Sb-gedopeerde SnO₂, zijn ook van belang. Deze rather hoge-prestatie geleidende kenmerken correleren met de speciale elektronische structuur, waarin het geleidingsband bestaat uit gedelocaliseerde metallische s orbitalen, leidend tot lage elektronen effectieve massa en hoge dispersie. In een gegeven materiaal, kunnen lage effectieve massa en hoge dispersie resulteren in hoge elektrische geleiding. Echter, deze binaire oxiden hebben hun eigen beperkingen zoals thermische en chemische onstabiliteit, wat degradatieproblemen zal veroorzaken voor de werking van oxide elektronische toepassingen. Daarom zijn er veel inspanningen voor het vinden van alternatieve materialen met voldoende prestaties om de zwaktes van binaire oxiden te compenseren. Materialen met de perovskiet structuur zijn ontdekt om uitzonderlijke fysieke eigenschappen te vertonen, zoals supergeleiding, multiferroïciteit, en kolossale magnetoweerstand. Vergeleken met de conventionele binaire TCO's, tonen ze betere structurele stabiliteit en kunnen ze flexibeler in chemische modificatie zijn, wat hun fysieke eigenschappen kan verbeteren of bijdragen aan het realiseren van nieuwe functionaliteiten.

Alkaliaard stannaten ASnO₃ (A = Ca, Sr, en Ba) zijn van groot belang vanwege hun intrigerende dielektrische eigenschappen en toepassingen zoals in thermisch stabiele condensatoren. Recentelijk hebben deze perovskieten ook aanzienlijke aandacht gekregen als nieuwe TCO films gebaseerd op de unieke kenmerken van hoge optische doorzichtbaarheid en hoge drager mobiliteit. Hun valentiebanden bestaan voornamelijk uit O 2p orbitalen en de geleidingsbanden worden grotendeels bijgedragen door Sn 5s orbitalen gelegen boven het Ferminiveau, wat wijd bandgaten maakt. De kleine elektronen effectieve massa's, dus, goede elektrische geleiding van ASnO₃ kan toegeschreven worden aan de grote grootte van Sn dat de geleidingsbandrand geeft met antibinderende s karakters. Onder ASnO₃, vertoont SrSnO₃ (SSO) halfgeleider gedrag met bandgat van 4,1 eV en heeft een orthorhombische structuur met roosterconstanten a = 5,708 Å, b = 5,703 Å, en c = 8,065 Å. De zuivere SSO films zijn niet geleidend. Om de geleiding van SSO films verder te verbeteren, zijn veel elementen gekozen om SSO films te doperen om dragers te genereren door de A plaats of B plaats te vervangen, zoals La voor Sr plaatsen, en Ta voor Sn plaatsen. Het selecteren van passend dopant element en geschikte dopant concentratie is cruciaal om hoge-prestatie TCO films te verkrijgen, alsook geoptimaliseerde groeicondities. Nb element wordt vaak gekozen om deels te substitueren voor TCO films, aangezien meer dragers neigen te genereren in het materiaalsysteem profiterend van de hoge valentietoestand Nb⁵⁺ kationen. Inderdaad, de hoge dichtheid van dragers gecreëerd door introductie van Nb ionen is gedemonstreerd volgens experimentele en first-principle berekeningsresultaten. Voorbeelden: Nb-gedopeerde TiO₂ films vertoonden kamertemperatuur resistiviteit zo laag als 2 × 10⁻⁴ Ωcm, en Nb-gedopeerde ZnO films toonden de laagste resistiviteit van 8,95 × 10⁻⁴ Ωcm. Vanuit het oogpunt van intrinsieke fysica en basale wetenschap, zullen de Nb donoren één elektron doneren aan het geleidingsband van SSO als de Sn ionen vervangen worden door Nb vanwege de gelijke ionische stralen van Nb⁵⁺ (0,64 Å) en Sn⁴⁺ (0,69 Å), en zal resulteren in een verbeterde geleiding in elektronen-gedopeerde SSO films. Aan de andere kant, de fysieke eigenschappen van TCO films kunnen ook afgestemd worden onder verschillende depositie zuurstofdrukken en temperaturen tijdens de filmgroei. Transport prestaties van BaSnO₃ (BSO), LaNiO₃, en SrTiO₃ films, en het magnetische gedrag van Gd-gedopeerde ZnO films zijn eerder gerapporteerd om gevoelig te zijn voor de zuurstofdruk. La-gedopeerde SSO films en Nd-gedopeerde BSO films vertoonden ook een opmerkelijke correlatie tussen elektrische eigenschappen en depositietemperatuur. Om de fysieke prestaties beter te controleren en hoge-kwaliteit dunne films te verkrijgen voor onderzoek, heeft het grote betekenis om de impact van deze sleuteldepositiecondities op de dunne films te bestuderen. Echter, eerdere rapporten zijn zeer beperkt over de effecten van zuurstofdruk en substrattemperatuur op de structurele, optische, en elektrische eigenschappen van SSO dunne films. Daarom richten we ons op dit aspect van dit werk. Een reeks Nb-gedopeerde SSO films werden gefabriceerd door gepulste laser depositie (PLD). Om de doorlaatbaarheidsmetingen van de films niet te beïnvloeden, werden LaAlO₃ einkristal substraten met een wijd bandgat van 5,5 eV gebruikt om de dunne films te depositieren. De zuurstofdruk tijdens groei varieert van 1 × 10⁻³ tot 20 Pa en de substrattemperatuur van 660 tot 820 °C. De structuur, elektrische, en optische eigenschappen van de films werden in detail onderzocht.

Methoden

Sr(Sn₀,₉₅Nb₀,₀₅)O₃ (SSNO) target werd gefabriceerd door vaste-stof reacties met hoge zuiverheid SrCO₃, SnO₂, en Nb₂O₅ als rauwmaterialen met de finale sintertemperatuur gehouden op 1520 °C gedurende 10 uur. Twee groepen epitaxiale SSNO dunne films (A en B) werden gegroeid op LaAlO₃(001) [LAO(001)] substraten door PLD met een 248 nm KrF excimer laser om de SSNO target te ablateren met een herhalingssnelheid van 3 Hz. De laser energiedichtheid op het roterende oppervlak van de target was ongeveer 1,8 J/cm², en de substraat-tot-target afstand werd gehouden op 55 mm. Monsters van groep A werden eerst bereid om de resistiviteit te optimaliseren met varierende zuurstofdruk van 1 × 10⁻³ tot 20 Pa terwijl de substrattemperatuur constant gehouden werd op 780 °C. Gebaseerd op de geoptimaliseerde zuurstofdruk, werden films in groep B vervolgens gedeponeerd bij verschillende substrattemperaturen tussen 660 en 820 °C om de optimale groeiconditie verder te verkennen. Voorafgaand aan het stroomen van zuivere zuurstof, was de basisdruk van de kamer 1 × 10⁻⁴ Pa. Na depositie, werden alle films in situ geanneald gedurende 15 min voordat ze afkoelden in dezelfde zuurstofatmosfeer. Filmstructuren werden gekarakteriseerd met hoge-resolutie röntgendiffractie (XRD) van diffractometer Empyrean PANalytical met een Cu Kα₁ bron (λ = 1,5406 Å). In-plane en out-of-plane diffractie 2θ-ω scans en φ scans werden uitgevoerd om de epitaxiale groei te bepalen. ω scans werden uitgevoerd om de kristalliniteit van de films te bevestigen, en wederkerige ruimtemappings (RSMs) werden gebruikt om de spanningstoestand te onderzoeken. Groeisnelheden van de films werden geschat met röntgenreflectiviteit, en de dikte van elke gedeponeerde film werd gecontroleerd op 230 nm. Röntgenfotoelektronspectroscopie (XPS, Thermo, escalab 250XI) werd gebruikt om de valentietoestanden van de elementen te analyseren. Hall-effect metingen werden uitgevoerd met behulp van van der Pauw geometrie op een Ecopia HMS-3000 systeem bij kamertemperatuur. Curves van de temperatuurafhankelijkheid van resistiviteit voor de films werden verkregen in het temperatuurbereik van 300 tot 30 K met behulp van de standaard vier-terminal methode met een Keithley 2400 bronmeter. De optische doorlaatbaarheid in het golflengtebereik van 200-1800 nm werd gemeten door UV-vis spectrometer (Lambda 950, Perkin Elmer, USA).

Resultaten en Discussie

Figuur 1a en b tonen de 2θ-ω lineaire scans van de SSNO films met verschillende zuurstofdrukken gegroeid op LAO(001) einkristallijne substraten langs (002) en (101) oriëntaties, respectievelijk. Met de substrattemperatuur gehouden op 780 °C, werden de films in groep A gefabriceerd onder 1 × 10⁻³, 0,03, 0,2, 5, en 20 Pa, zoals aangeduid. Alleen de (002) en (101) reflectiepieken kunnen waargenomen worden, wat aangeeft dat er geen andere impure fase in de films is. Dit kan verder bewezen worden door de wijdbereikde XRD 2θ-ω scan van de film bereid bij 20 Pa en 780 °C, als representatief getoond in Fig. S1. Om het effect van Nb dopanten op de structurele eigenschappen te onderzoeken, wordt het XRD resultaat van de SSO film met dezelfde groeiconditie ook gepresenteerd in Fig. S1. Het wordt waargenomen dat de (00 l) pieken van de SSNO film verschuiven naar hogere 2θ hoeken in vergelijking met die van de SSO film, wat toegeschreven kan worden aan het verschil in ionische stralen van Nb⁵⁺ (0,64 Å) en Sn⁴⁺ (0,69 Å). Met afnemende depositie zuurstofdruk in groep A, verschuiven de diffractiepieken geleidelijk naar lagere 2θ hoeken, wat een toename in roosterparameters en celvolume geeft. Figuur 1c presenteert de rocking curves genomen van (002) pieken van de SSNO films in groep A. De volle breedte op half maximum (FWHM) als functie van zuurstofdruk wordt getoond in de inset van Fig. 1c. Naarmate de zuurstofdruk toeneemt van 1 × 10⁻³ tot 20 Pa, daalt de FWHM waarde van 1,08° tot 0,17°, wat aangeeft dat de film bereid bij 20 Pa de hoogste kristalliniteit bezit. Het is opgemerkt dat meer zuurstof gunstig is voor de nucleatie, kristallisatie, en groei van SSNO films. Vergelijkbaar fenomeen is gerapporteerd in zuurstofdeficiënte SSO films en ZnO films. Figuur 1d en e tonen de SSNO films in groep B georiënteerd langs (002) en (101) reflecties zonder andere fasen. Deze monsters werden gedeponeerd bij 0,2 Pa met substrattemperaturen van 660, 700, 740, 780, en 820 °C. XRD φ scans werden uitgevoerd om de in-plane oriëntatie van de SSNO films ten opzichte van LAO substraten te onderzoeken door de diffractievlakken in te stellen als ψ = 45°. Zoals getoond in Fig. 1f, treden viervoudige reflectiepieken van de film gefabriceerd bij 780 °C en 0,2 Pa met een interval van 90° tussen twee aangrenzende pieken op op dezelfde hoek als die van het LAO substraat, wat aangeeft dat de SSNO films epitaxiaal gegroeid waren op LAO(001) substraten met een kubus-op-kubus oriëntatie.

De in-plane en out-of-plane roosterparameters voor de films gedeponeerd onder verschillende zuurstofdrukken kunnen berekend worden met (002) en (101) diffractiepieken uit Fig. 1a en b. Zoals getoond in Fig. 2a, vertonen het celvolume en de roosterparameters dezelfde dalende trend met toenemende zuurstofdruk van 1 × 10⁻³ tot 20 Pa. De berekende waarden van de drie parameters voor deze gedeponeerde monsters worden gepresenteerd in Tabel 1. De variatie in roosterconstanten met depositie zuurstofdruk is ook waargenomen in andere zuurstofdeficiënte perovskiet films en kan toegeschreven worden aan het bestaan van zuurstofvacatures. In feite bestaat er sterke Coulomb afstoting tussen A en B kationen (Sr en Sn of Nb in dit geval), en deze interactie zal versterkt worden door een hoge dichtheid van positief geladen zuurstofvacatures. Met afnemende depositie zuurstofdruk, variëren de in-plane roosterconstanten minder dan de out-of-plane roosterconstanten, wat gerelateerd is aan het groeiproces van de films. Vergelijkbaar fenomeen kan ook gevonden worden in zuurstofdeficiënte BSO films. Figuur 2b toont de RSM resultaten van de asymmetrische (1̅03) reflectie verkregen van de films met verschillende zuurstofdrukken. Alleen diffractieplekken van SSNO films en LAO substraten kunnen waargenomen worden. Men kan duidelijk zien dat de films bijna volledig ontspannen zijn vanwege de aanzienlijke roostermismatch tussen de film en het substraat. De waarden van de roostermismatch worden geëvalueerd op 7,04, 7,07, 7,12, 7,13, 7,15% met varierende zuurstofdruk van 20 tot 1 × 10⁻³ Pa. Tegelijkertijd wordt een grotere afstand tussen de plekken van de film en het substraat verkregen, wat impliceert dat de roosterparameters voor de SSNO films vergroten. Bovendien, door de zuurstofdruk te verlagen, wordt de reflectieplek van de SSFO film dispersiever en zwakker in intensiteit, wat in goede overeenstemming is met de resultaten verzameld van XRD ω-rocking curves hierboven vermeld. De roosterconstanten a, b, en c van de SSNO films of LAO substraten kunnen ook geschat worden met behulp van de Qx* en Qy* waarden (a = b = -λ/2Qx* en c = 3λ/2Qy*). Het blijkt dat de berekende roosterconstanten uit de RSMs consistent zijn met die uit de 2θ-ω lineaire scans. De RSM resultaten op (1̅03) vlak van de films gedeponeerd bij 0,2 Pa met verschillende substrattemperaturen worden ook getoond in Fig. S2. Filmplekken worden waargenomen op bijna dezelfde posities, wat gelijke roosterparameters van deze films aangeeft.

Zoals getoond in Fig. 3, werd XPS gebruikt om de valentietoestanden van de chemische elementen te onderzoeken voor de films gegroeid bij 780 °C onder verschillende zuurstofdrukken. Alle bindingsenergieën werden gecorrigeerd door het C 1s piek te kalibreren op 284,6 eV. Figuur 3a toont een dubbelt van Sr 3d spectra met een piekscheiding van 1,8 eV voor alle onderzochte monsters. De bindingsenergieën van 135,05 ± 0,10 eV en 133,25 ± 0,10 eV kunnen toegewezen worden aan Sr 3d₃/₂ en Sr 3d₅/₂ lijnen, respectievelijk, wat de Sr²⁺ ionen in de gedeponeerde films aangeeft. De XPS data van Sn 3d toestanden wordt getoond in Fig. 3b. Op basis van NIST database, zijn de bindingsenergieën van Sn 3d₅/₂ in Sn⁰, Sn²⁺, en Sn⁴⁺ toestanden ongeveer gelegen op 485,0, 485,9, en 486,6 eV, respectievelijk. Voor de monsters bereid onder 20, 5, en 0,2 Pa, worden de twee lijnen van Sn 3d₃/₂ en Sn 3d₅/₂ gevonden op 494,68 en 486,27 eV met een spin-orbit splitting van 8,4 eV, wat suggereert dat alleen de Sn⁴⁺ toestand in deze films aanwezig is. Echter, met afnemende zuurstofdruk tot 1 × 10⁻³ Pa, verschuiven de Sn 3d pieken licht naar lagere bindingsenergie met posities op 494,59 en 486,18 eV, wat de gedeeltelijke conversie van Sn⁴⁺ naar Sn²⁺ onthult. Dit resultaat helpt ook de significante verandering in roosterconstanten van het monster te verklaren aangezien de ionische straal van Sn²⁺ (1,12 Å) groter is dan Sn⁴⁺ (0,69 Å), consequent, een promotie effect op de vergroting van rooster. Vergelijkbare valentieovergangsfenomeen in Sn kunnen ook waargenomen worden in Ta-gedopeerde SSO films en La-gedopeerde BSO films. Figuur 3c toont de Nb 3d spectra met een dubbelt corresponderend met de overgangen van Nb 3d₃/₂ en Nb 3d₅/₂ gescheiden door 2,7 eV. Het kan gezien worden dat de bindingsenergieën van Nb 3d₃/₂ en Nb 3d₅/₂ verschijnen op ongeveer 210,10 en 207,40 eV voor de monsters bij 0,2-20 Pa, terwijl dalend naar 209,77 en 207,07 eV voor 1 × 10⁻³ Pa. Dit resultaat bevestigt dat de Nb ionen in +5 toestand aanwezig zijn in de SSNO films. De lichte daling in bindingsenergieën van Nb 3d signaal voor het monster bereid onder hoge vacuüm kan te wijten zijn aan veranderingen in de chemische omgeving rond Nb ionen. Figuur 3b beschrijft de asymmetrische O 1s signalen van de SSNO films. Alle data kunnen opgesplitst worden in drie gemengde curven met Gauss-Lorentz functie. Een piek gelegen op de laagste bindingsenergie van 529,94 ± 0,15 eV correspondeert met het roosterzuurstof, terwijl de andere twee pieken met hogere bindingsenergieën van 531,48 ± 0,15 eV en 532,50 ± 0,15 eV gecorreleerd zijn met O²⁻ ionen gelegen in zuurstofvacatuur regio's en zwak gebonden zuurstof, respectievelijk. De geïntegreerde gebieden onder de lage, middelste, en hoge bindingsenergie pieken worden aangeduid als O_A, O_B, en O_C. Dan wordt de relatieve zuurstofvacatuurconcentratie voor elke film gekwantificeerd door het berekenen van [O_B/(O_A + O_B)]. Waarden van deze verhouding genomen uit de data in Fig. 3d zijn 47,5, 19,8, 16,0, en 15,1% met toenemende zuurstofdruk van 1 × 10⁻³ tot 20 Pa, wat suggereert dat de concentratie van zuurstofvacatures geleidelijk toeneemt met dalende zuurstofdruk in de SSNO films.

Om de effecten van zuurstofdruk en depositietemperatuur op de transporteigenschappen van SSNO films te begrijpen, werden Hall-effect metingen uitgevoerd om de dragerconcentratie (n), Hall mobiliteit (μ), en elektrische resistiviteit (ρ) bij kamertemperatuur te bepalen zoals getoond in Fig. 4. Het monster bij 1 × 10⁻³ Pa werd gemeten om een hoge resistiviteit van ~ 100 MΩ te hebben (niet getoond), en de andere films vertoonden allemaal n-type geleiding. Zoals te zien is uit Fig. 4a, neemt de dragerconcentratie toe tot 6,03 × 10¹⁹/cm³ met dalende zuurstofdruk van 20 tot 0,2 Pa. De elektronen, als hoofddragers in SSNO films, worden geproduceerd door ionisatie van zowel zuurstofvacatures als de vervanging van Sn plaatsen met Nb. De Nb concentratie kan geschat worden uit XPS metingen door de gebieden onder de Nb 3d en Sn 3d pieken te vergelijken en te corrigeren met de gevoeligheidsfactoren. De atomaire verhoudingen van Nb/(Sn + Nb) zijn berekend als 0,061, 0,064, en 0,071 voor films gegroeid onder 0,2, 5, en 20 Pa, respectievelijk. Deze toename in dopantconcentratie met toenemende zuurstofdruk kan ook gevonden worden in Gd-gedopeerde ZnO dunne films. De berekende Nb concentrates zijn iets groter dan de nominale dopingsinhoud in de SSNO films, wat te wijten kan zijn aan de semi-kwantitatieve XPS analyse. Aan de andere kant, met dalende zuurstofdruk tot 0,2 Pa, neemt de relatieve zuurstofvacatuurconcentratie geleidelijk toe zoals kan bewezen worden uit XPS resultaten. Daarom kunnen meer dragers gedoneerd door het verhoogde aantal zuurstofvacatures, alsook de variatie van dopingsconcentratie de oorzaak verklaren van hogere dragerconcentratie. Het moet opgemerkt worden dat de verschuiving in piekpositie van de (002) pieken met varierende zuurstofdruk ook gerelateerd kan zijn aan de afwijking in dopantconcentratie. De elektronen mobiliteit varieert met dezelfde trend als dragerconcentratie, met een maximumwaarde van 3,31 cm²/Vs bij 0,2 Pa. De afgenomen mobiliteit met toenemende zuurstofdruk stamt van de verschuiving van het Ferminiveau naar het centrum van het gat, leidend tot grotere effectiviteit van verstrooiingscentra onder de geleidingsbandrand. In overweging van de relatie ρ = 1/neμ (waar e de elektronische lading is), is de laagste kamertemperatuur resistiviteit van 31,3 mΩcm waargenomen bij 0,2 Pa het resultaat van de grootste dragerconcentratie en elektronen mobiliteit bij deze depositie zuurstofdruk. Echter, met dalende zuurstofdruk tot 0,03 Pa, dan tot 1 × 10⁻³ Pa, worden aanzienlijke zuurstofdefecten gegenereerd in de SSNO films, die een ongestructureerde structuur, slechte kristalliniteit (zie inset van Fig. 1c) bezitten die elektronenlokalisatie begunstigen. Bovendien geeft XPS analyse de ladingdisproportie van Sn²⁺ en Sn⁴⁺ in het monster bij 1 × 10⁻³ Pa aan, wat de toename in dragerconcentratie verder zal blokkeren en de elektrische geleiding onderdrukken. Gevolgelijk wordt de significante degradatie in transportprestaties verkregen van het monster bij 1 × 10⁻³ Pa. Vergelijkbare variatietendens is ook waargenomen in ZnO films en BSO films. Verder, met de depositie zuurstofdruk ingesteld op 0,2 Pa, werd de afhankelijkheid van geleidende prestaties van de films van substrattemperatuur onderzocht zoals gepresenteerd in Fig. 4b. Duidelijk is dat de dragerdichtheid initieel geleidelijk toeneemt als de temperatuur stijgt van 660 tot 780 °C, en de maximumwaarde bereikt wordt voor het 780 °C-gedeponeerde monster met een waarde van 6,03 × 10¹⁹/cm³. De resistiviteit vertoont een tegenovergestelde tendens met dragerconcentratie, wat aangeeft dat de elektrische geleiding van deze films grotendeels bepaald wordt door de dragerconcentratie. De laagste kamertemperatuur resistiviteit van 31,3 mΩcm wordt verkregen bij 780 °C. Hall mobiliteit wordt waargenomen om bijna dezelfde depositietemperatuur relatie met resistiviteit te hebben. Daarom is gevonden dat de geleiding van de SSNO films ook afgestemd kan worden door substrattemperatuur.

Figuur 5a en b tonen de temperatuur-afhankelijke resistiviteitscurves voor de SSNO films gegroeid onder verschillende condities binnen het temperatuurbereik van 30-300 K. Voor de film gedeponeerd bij 0,03 Pa, neemt de resistiviteit toe met dalende temperatuur (dρ/dT < 0), wat het kenmerk is van een halfgeleider gedrag. Om het geleidingsmechanisme te begrijpen, werd een gedetailleerde analyse van de temperatuur-afhankelijke resistiviteit uitgevoerd. Zoals getoond in de onderste inset van Fig. 5a, bestaat er een lineaire relatie tussen Inρ en T⁻¹ᐟ⁴, wat suggereert dat variabele-bereik hoppen het dominante geleidingsmechanisme is. Het kan opgemerkt worden dat alleen de film gedeponeerd bij 0,2 Pa met de substrattemperatuur van 780 °C een metaal-halfgeleider overgang (MST) vertoont bij 157 K. Het metallisch gedrag boven MST temperatuur kan toegeschreven worden aan de vorming van een gedegenereerd band door de grote dichtheid van dragers geïntroduceerd in het systeem, terwijl het halfgeleider gedrag bij lagere temperaturen kan verklaard worden door de lokalisatie van elektronen door onorde. Vergelijkbaar MST gedrag kan ook gevonden worden in Ta-gedopeerde SSO en zuurstofdeficiënte BSO films. Voor een verdere uitleg van het transportmechanisme in deze film, kan een model van geleiding in ongestructureerde materie gebruikt worden wanneer de elektronische Fermi golflengte λ_F = [2π/(3π²n)¹ᐟ³] en de vrije baan l = (h/ρne²λ_F) vergelijkbaar worden. Bij lage temperaturen, worden λ_F en l geschat als vergelijkbaar. Daarom wordt de half-klassieke Boltzmann vergelijking van resistiviteit in overweging genomen om de experimentele data te fitten zoals beschreven door de volgende relatie:

ρ(T) = 1/(σ₀ + a₁T + a₂T¹ᐟ²) + bT²

waar σ₀ de residuele geleiding is, a₁T term correspondeert met zwakke lokalisatie, en a₂T¹ᐟ² beschrijft de e⁻-e⁻ interacties voor een 3D film. De term bT² is opgenomen voor uitgebreide beschrijving van verstrooiingsbijdrage bij hogere temperaturen. De solide donkergrijze lijn door de experimentele data in Fig. 5a suggereert dat vergelijking (1) een uitstekende fitting resultaat geeft van ρ(T). Waarden van de fitting resultaten zijn σ₀ = 28,0 mΩ⁻¹cm⁻¹, a₁ = -0,02 mΩ⁻¹cm⁻¹K⁻¹, a₂ = 0,65 mΩ⁻¹cm⁻¹K⁻¹ᐟ², en b = 9,19 × 10⁻⁹ mΩcmK⁻², respectievelijk. Het kan geconcludeerd worden dat elektronen-tot-elektronen interacties voornamelijk verantwoordelijk zijn voor de bijdrage aan de resistiviteit bij lage temperaturen aangezien a₁ veel kleiner is dan a₂. Met toenemende zuurstofdruk tot 5 en 20 Pa, neemt de resistiviteitswaarde van de SSNO films geleidelijk toe, en het halfgeleider gedrag domineert in het gehele gemeten temperatuurbereik. Zoals getoond in de bovenste inset van Fig. 5a, kan een goed lineaire relatie van ρ-InT curves van de twee monsters waargenomen worden, wat aangeeft dat het corresponderende mechanisme de twee-dimensionale zwakke lokalisatie is, wat in wezen veroorzaakt wordt door kwantum-interferentie van de geleidende elektronen op de defecten van de systemen. Rekening houdend met de inelastische verstrooiing in sommige elektronen geleidingspaden, bestaat het interferentie effect alleen bij t < t₁ wanneer één elektron begint te diffuseren van een bepaald punt bij t = 0. Hier is t₁ de inelastische verstrooiingstijd. De monsters met verschillende substrattemperaturen in Fig. 5b vertoonen alle halfgeleider gedrag in het temperatuurbereik van 30 tot 300 K. Het is duidelijk zichtbaar dat de temperatuur-afhankelijke resistiviteit initieel daalt van 660 tot 780 °C, dan stijgt tot 820 °C met de zuurstofdruk vastgezet op 0,2 Pa. Zoals getoond in de inset van Fig. 5b, lineaire relatie tussen ρ en InT voor monsters bij 660, 700, 740, en 820 °C geeft ook het zwakke lokalisatie mechanisme aan.

De transmissiespectra in het golflengtebereik van 200-1800 nm voor de SSNO films gedeponeerd onder 1 × 10⁻³-20 Pa en bij 660-820 °C worden getoond in Fig. 6a en b, respectievelijk. Optische doorzichtbaarheid van de films met verschillende zuurstofdrukken en depositietemperaturen is meer dan 70% in het spectrale bereik tussen 600 en 1800 nm, hoewel het substraat gedeeltelijk licht kan absorberen. De films tonen een hoge doorlaatbaarheid tot in het nabij-infrarood gebied, wat vereist is voor TCO toepassing in zonnecellen. Dit kenmerk verschilt van de afgenomen doorlaatbaarheid in het nabij-infrarood gebied door absorptie voor de meeste TCO films. Daarnaast worden ze ook waargenomen om de fundamentele absorptieranden te hebben, die liggen in het nabij-ultraviolet gebied. Het is te zien uit Fig. 6a dat de absorptieranden van SSNO films gedeponeerd bij 780 °C verschuiven naar kortere golflengte met dalende zuurstofdruk van 20 tot 1 × 10⁻³ Pa, zoals duidelijker getoond in de inset. Echter, met de zuurstofdruk vastgezet op 0,2 Pa, overlappen de absorptieranden van de films gegroeid bij verschillende substrattemperaturen bijna zoals gezien in Fig. 6b, wat aangeeft dat de depositietemperatuur de optische eigenschappen van de SSNO films niet duidelijk moduleert. De bandgaten E_g van de films kunnen geschat worden uit de volgende vergelijking:

(αhν)ⁿ = A(hν - E_g)

waar α de absorptiecoëfficiënt vertegenwoordigt, hν de fotonenergie is, n = 1/2 voor indirect bandgat en 2 voor direct, A een constante is gerelateerd aan elektronen-gaatjes mobiliteit, en E_g de scheiding is tussen de bodem van het geleidingsband en de top van het valentieband. Hier kan α berekend worden met de relatie, α = (1/d)In(1/T), waar d staat voor de filmdikte en T de doorlaatbaarheid is. Figuur 6c en d tonen de plots van (αhν)¹ᐟ² en (αhν)² versus hν voor de monsters gedeponeerd bij 780 °C met verschillende zuurstofdrukken, respectievelijk. De bandgaten kunnen verkregen worden door de lineaire delen van de curven te extrapoleren naar α = 0. Belangrijk is dat het bandgat geëvalueerd wordt om te stijgen met dalende zuurstofdruk van 4,35 tot 4,90 eV voor het indirecte gat en van 4,82 tot 5,29 eV voor het directe, beschreven in de inset van Fig. 6d. Met varierende zuurstofdruk van 20 tot 0,2 Pa, is de bandgat verbreiding van SSNO film met verhoogde dragerconcentratie gerelateerd aan het verhoogde Ferminiveau in het geleidingsband van een n-type halfgeleider, wat aangeduid wordt als Burstein-Moss effect. Aangezien de lage energieniveaus van het geleidingsband opgevuld werden door de geleidende elektronen, kunnen alleen fotonen met hogere energien geabsorbeerd worden, leidend tot een vergroot bandgat. Voor de monsters gedeponeerd bij lagere zuurstofdrukken, is de verdere toename in bandgat te wijten aan de generatie van aanzienlijke zuurstofvacatures in deze film.

Conclusies

Samenvattend, epitaxiale Nb-gedopeerde SrSnO₃ dunne films onder verschillende zuurstofdrukken en substrattemperaturen zijn gefabriceerd op LAO(001) substraten met PLD. Filmstructuren werden in detail gekarakteriseerd met hoge-resolutie röntgendiffractie, inclusief 2θ-ω scans, φ scans, ω scan rocking curves, en RSM. XPS analyse onthult dat Nb⁵⁺ aanwezig is in de SSNO films. Hall-effect metingen werden uitgevoerd en het monster gedeponeerd bij 0,2 Pa en 780 °C bezit de laagste kamertemperatuur resistiviteit van 31,3 mΩcm, met mobiliteit van 3,31 cm²/Vs en dragerconcentratie van 6,03 × 10¹⁹/cm³. Temperatuur-afhankelijke resistiviteit van deze film toont een metaal-halfgeleider overgang, wat besproken wordt gebaseerd op elektronen-elektronen interacties. Echter, de films gegroeid bij andere condities vertonen alle halfgeleider gedrag, wat geanalyseerd kan worden met variabele-bereik hoppen of het twee-dimensionale zwakke lokalisatie model. Een hoge optische doorlaatbaarheid van meer dan 70% voor de films wordt waargenomen in het golflengtebereik van 600 tot 1800 nm. Voor de films met verschillende zuurstofdrukken, is de variatie van bandgat toegeschreven aan Burstein-Moss verschuiving en zuurstofvacatures. De SSNO film kan flexibel afgestemd worden tussen een isolator en een geleider door alleen de zuurstof depositiedruk te varieren. Zulke kenmerken kunnen gebruikt worden in veld-effect transistors en andere elektronische apparaten bestaande uit zowel isolerende dielektrische als geleidende elektroden.