《Materials Science and Engineering: B》：The effect of vacuum annealing on the electric properties and optical properties of sputtered Sn-doped ZnO films
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•通过磁控溅射技术制备了掺锡的ZnO薄膜，并在真空中进行了退火处理。•在600°C下进行真空加热后，电阻率从0.46Ω·m降低到0.017Ω·m。•通过光谱退化分析获得了薄膜的光学常数光谱。•分析了真空加热对亚带隙吸收系数和带隙能量的影响。引言ZnO是一种n型半导体，因其高性能的
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通过磁控溅射技术制备了掺锡的ZnO薄膜，并在真空中进行了退火处理。
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在600°C下进行真空加热后，电阻率从0.46Ω·m降低到0.017Ω·m。
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通过光谱退化分析获得了薄膜的光学常数光谱。
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分析了真空加热对亚带隙吸收系数和带隙能量的影响。
引言
ZnO是一种n型半导体，因其高性能的透明导电性能而受到广泛研究，已被应用于太阳能电池[1]、智能窗户[2]、发光二极管（LEDs）[3]以及电致变色透明电极[4]等领域。由于其低成本，基于ZnO的透明导电薄膜被视为一种有前景的替代品，可以取代昂贵的掺锡In?O?（ITO）薄膜。
ZnO薄膜的本征电导率主要由天然缺陷（如锌间隙原子和氧空位）引起，通常非常低。在我们之前的研究中，通过射频（RF）磁控溅射制备的未掺杂ZnO薄膜的电阻率高达2.4×10?Ω·cm[5]。为了提高导电性，人们将各种外来元素（包括Al[6]、Ga[7]、Mn[8]、In[9]和Sn[10]）掺入ZnO晶格中。这些掺杂剂大多数是能够向导带捐赠电子的金属，其中Al和Ga被研究得最为广泛[11][12]。特别值得关注的是Sn掺杂，因为Sn??理论上可以为每个取代的Zn2?离子捐赠两个自由电子，从而在给定掺杂浓度下实现更高的载流子浓度[13][14][15]。此外，Sn??的离子半径（0.69 ?）略小于Zn2?（0.74 ?），这意味着Sn可以在几乎不引起结构畸变的情况下掺入ZnO晶格中[16]。
掺锡的ZnO（TZO）薄膜可以通过多种方法制备，例如喷雾热解[17]、溶胶-凝胶法[18]、脉冲激光沉积（PLD）[19]、电子束蒸发[20]和磁控溅射[21][22]。其中，磁控溅射在大面积均匀性、高效率、良好的再现性和出色的薄膜质量方面具有优势，已被用于沉积TZO薄膜。例如，Yu等人[21]使用RF磁控溅射在玻璃上制备了TZO薄膜，获得了93.4%的平均透射率和8.03×10?3Ω·cm的电阻率；So等人[22]也在室温下通过RF共溅射制备了TZO薄膜，电阻率为2.6×10?2Ω·cm。这些结果表明，Sn掺杂可以有效改善ZnO薄膜的电学性能。
退火是一种有效的调节ZnO薄膜电学性能的方法，可以通过改变其缺陷结构来实现。例如，Lee等人报告称，随着快速退火温度的升高，溅射ZnO薄膜的电阻率先增加后降低[23]；另一项研究中，Xing等人证明真空退火甚至可以改变ZnO薄膜的导电类型[24]。这些发现突显了退火作为调节ZnO电学性能的关键方法的实用性。
尽管之前已有研究报道了退火对ZnO薄膜电学性能的影响，但对其光学性能的影响研究还不够充分。在我们之前的工作中[5]，除了电学表征外，我们还使用Tauc–Lorentz和Lorentz振荡器模型分析了真空退火对光透射率和反射率光谱的影响，从而阐明了光学常数和吸收行为的变化。在本研究中，首先通过RF磁控溅射制备了TZO薄膜，然后在不同温度下进行真空退火，并采用一致的分析方法系统地研究了真空退火对电学和光学性能的影响，得出了若干有价值的发现。
章节片段
薄膜制备
TZO薄膜是通过RF磁控溅射（AE, NEXDP-030）在石英衬底（25 mm × 25 mm）上沉积的。本工作主要研究了真空加热对掺锡ZnO的电学和光学性能的影响。与通常用于提高导电性的Al和Ga元素不同，这里的Sn掺杂比例大约在1%到3%之间[25][26][27]。我们选择了中等掺杂比例的Sn。
XRD分析
图1（a）显示了沉积态和退火后的TZO薄膜的XRD图谱。所有（002）和（103）面的衍射峰都对应于ZnO的六方纤锌矿结构（PDF #36–1451）[31]。未检测到次要相（如SnO?或Zn?SnO?）。此外，（002）峰的强度异常高，这归因于表面能和内部应力的最小化[32]。
结论
研究结果表明，Sn掺杂使ZnO晶格沿c轴膨胀，表明Sn在间隙位置被掺入。真空退火导致晶格沿a轴膨胀沿c轴收缩，这是由于产生了Zn间隙原子和氧空位，同时Sn也会扩散到薄膜表面和晶界。真空退火通过增加……（原文此处信息不完整）使薄膜电阻率降低了约60倍。
CRediT作者贡献声明
王毅：撰写——原始草稿、方法学、正式分析、数据整理。尹冠超：撰写——审稿与编辑、监督、正式分析、概念构思。杨帆：方法学、实验研究、正式分析。周林晨：方法学、实验研究。刘超：撰写——审稿与编辑、概念构思。刘宝顺：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。
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的财务利益或个人关系。
致谢
B. L. 感谢中国国家重点研发计划（项目编号2017YFE192600）和111项目（项目编号B18038）的支持。
王毅|尹冠超|杨帆|周林晨|刘超|刘宝顺
