通过钛掺杂提高金属SrNbO3的透明度

《Advanced Materials Interfaces》：Boosting the Transparency of Metallic SrNbO3 Through Ti Doping

SrNbO3薄膜通过Ti掺杂优化了透明导电性能，理论计算与实验表明Ti掺杂降低等离子体频率ω_p至可见光范围以下，同时保持高电导率。在x=0.3时获得最佳性能，FOM达10.3×10?3 Ω?1，优于ITO和多数其他TCO材料。

　　近年来，随着透明电子技术的迅速发展，对透明导电材料的需求也日益增加。这类材料在多种光电子设备中扮演着重要角色，例如智能手机、电视、发光二极管等。此外，透明导电材料在太阳能电池制造过程中也至关重要，因为它们需要在可见光范围内保持高透明度，同时具备良好的电导性。目前，锡掺杂氧化铟（ITO）是透明导电氧化物（TCO）的主流材料，因其在可见光区域具有超过85%的透光率和较低的面电阻（10–100 Ω□?1）而受到广泛认可。然而，由于铟资源的稀缺性和成本问题，开发一种无需依赖铟的替代材料成为研究的重点。

为了寻找合适的替代材料，科学家们开始关注具有强关联特性的钙钛矿氧化物，如SrVO?（SVO）、SrMoO?（SMO）和SrNbO?（SNO）。这些材料虽然具有较高的电阻率（30–200 μΩ·cm），但它们的光学带隙（Eg）较大（约为2.7–4.8 eV），并且在可见光范围内透明度较低（40–70%）。这主要是由于其较高的等离子频率（ωp），导致可见光范围内的反射和吸收增强，从而降低了透明度。其中，SVO因其等离子频率（约1.3 eV）低于可见光范围（1.75–3.10 eV），表现出较好的透明性，成为研究透明导电材料的一个重要方向。然而，SVO在2.25 eV以上的吸收依然较高，这限制了其作为透明导电材料的广泛应用。

SMO的等离子频率约为2 eV，虽然比SVO稍高，但仍位于可见光范围内，这导致其在可见光区域的透明度受到限制。为了提高这些材料的透明度，研究人员尝试了多种策略，包括厚度调控、A和B位阳离子掺杂以及应变调控等。例如，Mohammadi等人通过将V替换为Mo，成功调控了SMO的等离子频率和光学带隙，使其成为替代当前TCO材料的候选者之一。

SrNbO?（SNO）作为一种具有较大光学带隙（Eg约为4.1–4.8 eV）的材料，其电阻率在50–200 μΩ·cm之间，显示出良好的透明导电潜力。然而，SNO的透明度仍然较低，主要由于其较高的等离子频率（1.8–2.0 eV）和自由载流子吸收（FCA）效应。为了解决这一问题，研究人员尝试通过不同的方法优化SNO的光学透明度，如改变生长条件、使用不同衬底等。例如，Roth等人通过溅射沉积技术，在LaAlO?（LAO）衬底上生长出不同厚度的SNO薄膜，成功将透明度提高至86%。然而，这种提高是以增加面电阻为代价的，导致其不适合作为TCO材料。

此外，通过诱导非化学计量比的方法，研究人员也尝试提高SNO的透明度，但其效果有限，仅将透明度提高至约75%，而对电导性的提升则不明显。Jeong等人优化了SNO在DyScO?（110）衬底上的生长条件，成功获得了10 Ω的面电阻和约87%的透明度，标志着其图腾值（FOM）的显著提升。然而，SNO的透明度在低能量区域（约2 eV）迅速下降，这可能与其较高的等离子频率有关。这些研究显示，寻找一种有效的方法来优化SNO的光电子性能仍然存在挑战。

为了进一步改善SNO的性能，Si等人提出了一种通过钛（Ti）掺杂的方法。Ti掺杂不仅能够降低SNO中的自由载流子浓度，从而减少等离子频率和自由载流子吸收，还能减弱电子间的关联效应，使得准粒子权重（Z）增大。这一变化有助于减少电子散射，延长准粒子寿命，从而提高电导性。Ti掺杂后，SNO的等离子频率能够显著降低，使得其在可见光范围内的反射和吸收减少，从而提高透明度。同时，其光学带隙仍然保持在较高水平，符合透明导电材料的基本要求。

为了验证这一理论预测，研究人员采用密度泛函理论（DFT）结合动力学平均场理论（DMFT）的方法，对SrNb???Ti?O?系统进行了计算。结果表明，当Ti掺杂量在25–50%之间时，SNO的等离子频率能够有效降低，而其光学带隙保持不变。进一步的实验研究显示，通过脉冲激光沉积（PLD）技术，在LAO衬底上生长出约70 nm厚的SrNb???Ti?O?薄膜，其面电阻在550 nm波长处达到89 Ω□?1，透明度则提升至95%。这些结果表明，Ti掺杂能够显著改善SNO的透明度和电导性，使其成为一种具有潜力的透明导电材料。

为了全面评估这些薄膜的性能，研究人员采用了Haacke的图腾值（FOM）公式，该公式结合了透明度（T）和面电阻（Rs），用于量化透明导电材料的综合性能。计算结果显示，当Ti掺杂量为0.3时，FOM达到10.3（10?3 Ω?1），这一数值与目前广泛使用的掺杂氧化铟（ITO）和几种其他透明导电材料的性能相当，甚至可能更优。这一结果表明，Ti掺杂的SNO薄膜在可见光和紫外光范围内均表现出优异的透明导电性能，有望成为下一代透明导电材料的候选者。

在实验部分，研究人员通过高分辨率X射线衍射（HR-XRD）对薄膜的结构特性进行了详细分析，确认了其外延生长特性。同时，通过光学透射率测试，研究人员观察到随着Ti掺杂量的增加，薄膜的透明度显著提高，特别是在550 nm波长处，透明度达到95%。这些结果进一步验证了Ti掺杂对SNO性能的积极影响。

此外，研究人员还对不同生长条件下的薄膜性能进行了比较，发现通过调整背景氧分压、薄膜厚度等参数，可以进一步优化其光电子性能。例如，在不同的氧分压条件下生长的薄膜表现出不同的面电阻和透明度，表明生长条件对薄膜性能具有重要影响。为了确保实验结果的可比性，研究人员在相同的生长条件下制备了所有薄膜，避免了因不同优化策略带来的性能差异。

综上所述，Ti掺杂为改善SNO的透明导电性能提供了一种有效的方法。通过结合理论计算和实验验证，研究人员发现Ti掺杂不仅能够降低等离子频率，提高透明度，还能保持较高的光学带隙，满足透明导电材料的基本要求。这些结果表明，Ti掺杂的SNO薄膜在光电子应用中具有广阔前景，尤其是在透明电子器件和太阳能电池领域。此外，该研究还强调了生长条件对薄膜性能的重要影响，为未来的材料设计和优化提供了新的思路。