NixTe薄膜的高导电性和多带透射特性

《Optical Materials》：High Conductivity and Multiband Transmittance of NixTe Films

　　

摘要

我们报道了Ni_xTe薄膜，这些薄膜在电学和光学性能上得到了优化，适合作为多频段透明电极使用。通过调整的值，可以高效地调控Ni_xTe薄膜的载流子导电率和光学透射率。增加NiTe₂的含量可以提高Ni_xTe薄膜的导电性。这些薄膜在太赫兹（0.3-0.8 THz）和可见光（400-800 nm）范围内保持高透射率，并且在红外区域也有足够的透射率，其中Ni_0.35Te达到了最佳的平衡。退火处理进一步改善了Ni_xTe（x = 0.25, 0.35, 0.62）薄膜的电学性能。Ni_xTe薄膜对大负载电流表现出出色的耐受性，具有优异的电学循环稳定性，并且在柔性光电应用中显示出显著的柔韧性。研究表明，Ni_xTe薄膜是多频段透明电极的有希望的材料，并且可以通过成分工程实现电学性能的调谐。

引言

透明导电薄膜因其透射率和载流子导电性而在智能窗户和光电设备中至关重要，1, 2, 3，这促进了它们在通信、成像和计算中的应用。4, 5 随着太赫兹技术的快速发展，透明电极在太赫兹领域找到了越来越多的应用，6, 7 例如太赫兹光谱电化学，8 以及透射式太赫兹调制器。9 光控主动太赫兹调制器对下一代通信技术非常重要，这些技术需要透明电极在可见光到太赫兹范围内保持高透射率。10 目前，很少有可行的透明电极材料适用于太赫兹领域。11, 12 传统材料面临一些挑战，例如网格电极中的透射率不均匀性问题，以及超薄金属容易腐蚀和氧化的问题。2, 13 大面积单层石墨烯难以制造，并且需要高温处理。14, 15, 16 汞锡氧化物（ITO）在太赫兹范围内具有高吸收率。17 其固有的脆性进一步限制了ITO在柔性设备中的应用。18 此外，其制造过程需要200°C–400°C的高温。19 尽管PEDOT:PSS具有良好的机械柔韧性，但它会因水解而性能下降，20 热稳定性差，21 且与标准半导体制造工艺不兼容。22 要在可见光范围内实现透明电极，需要优化光学带隙和载流子导电性。传统材料的等离子体吸收边缘位于太赫兹波长（30 μm）以下，23 使得它们在太赫兹波传输方面效率低下。减小薄膜厚度到皮肤深度以下是在太赫兹范围内的一种有效策略，同时提高载流子迁移率并降低浓度。德鲁德模型表明，薄膜的皮肤深度与载流子导电率的平方根成反比。24 高导电性的透明电极（> 1000 S/cm）限制了其厚度范围。23 当传统金属薄膜的厚度降低到电子平均自由路径（室温下为数十纳米）以下时，25 它们的导电率会急剧下降——这使得在保持太赫兹波和可见光高透射率的同时难以确保高导电性。多频段透明电极在太赫兹设备的可见光调制方面具有巨大潜力，因此需要探索适用于这两个范围的材料。7

近年来，半金属材料由于其优异的电学和光学性能，有望彻底改变电子学、光电子学和自旋电子学。26 半金属材料通常在表面态中表现出稳定的载流子传输，从而具有高表面导电性并克服了薄膜中的载流子散射限制。27, 28 最近的研究表明，非晶态半金属薄膜保持高导电性，可以制造出大面积且成本效益高的材料。29 NiTe₂是一种II型狄拉克半金属，其狄拉克节点位于费米能级附近，具有高导电性的载流子（NiTe₂的导电率高达13000 S/cm）。30 这种化合物还具有拓扑非平凡的表面态，32, 33 对原子缺陷具有显著的鲁棒性。34 即使在单层极限下，NiTe₂也是一种坚固的半金属。35 此外，量子限制使NiTe₂纳米管具有3 eV的大光学带隙。36 基于半金属的透明电极已经得到了积极研究，通常是针对特定应用场景的。37, 38, 39 Te具有显著的载流子导电性和高太赫兹波透射率，40 然而尚未有研究探讨Ni_xTe薄膜中纳米级NiTe₂含量与其导电性和透射率之间的联系。

本研究优化了Ni_xTe薄膜在透明导电应用中的电学和透射率性能。增加NiTe₂的含量可以提高Ni_xTe薄膜的导电性，提高可见光范围内的透射率，同时保持高太赫兹透射率。Ni_xTe薄膜具有多频段透明性、适用于柔性应用的可行性以及通过成分工程实现电学性能调谐的优势。此外，退火处理能够显著提高薄膜的电学导电性。这项研究突显了Ni_xTe系统在多频段透明电极中的应用潜力。

章节摘要

结果与讨论

Ni_xTe薄膜（0≤x≤0.72）是通过将镍和碲靶材共溅射到石英基底上制备的，生长过程的示意图见补充材料中的图S1。图S2显示了不同镍溅射功率下的镍和碲原子百分比（以%表示），图S3显示了EDS元素分布图，表明薄膜的成分在较宽区域内均匀分布。

结论

总之，本研究表明Ni_xTe薄膜是有前景的多频段透明电极，其中NiTe₂的高载流子浓度、迁移率和半金属性质主导了导电性的提升。增加NiTe₂的含量有效地提高了导电性和可见光透射率，Ni_0.62Te的霍尔导电率为13390 S/cm，在可见光范围内获得了最高的能量转换效率（FOM）。在红外范围内，FOM1和FOM2分别为0.01 Ω^-1和2.53×10^-5 Ω^-1

CRediT作者贡献声明

Chenxiang Liu： 数据整理。Xingkai Che： 数据整理。Zhenghao Li： 初始草稿撰写、研究、正式分析、数据整理。Xiangda Meng： 文稿编写与编辑、监督、资源调配、项目管理、资金筹集、概念构思。Chengpeng Hu： 资金筹集、正式分析。Peng Tan： 资金筹集、正式分析。Yining Dong： 数据整理。Li Li： 监督、正式分析。Hao Tian： 监督、资金筹集、正式分析。

利益冲突

作者没有需要披露的利益冲突。

数据可用性

支持本研究发现的数据可在文章[及其补充材料]中找到。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

X. Meng, H. Tian, Y. Wang, C. Hu 和 P. Tan 感谢以下机构的支持：黑龙江省重点研发计划（项目编号2023ZX01A17），中国黑龙江省自然科学基金（项目编号YQ2023A005, YQ2023A006），国家自然科学基金（项目编号12474082, U24A20201, 62305089, 12374082），以及国家激光空间信息实验室（LSI2024WDZC08），中央高校基本科研业务费。

Zhenghao Li|Xiangda Meng|Chenxiang Liu|Xingkai Che|Yining Dong|Chengpeng Hu|Peng Tan|Yu Wang|Wenpeng Guo|Li Li|Hao Tian

哈尔滨工业大学物理学院，哈尔滨150001，中国