Sifat Listrik dan Optik Film Epitaxial SrSnO3 yang didoping-Nb yang Diendapkan oleh Deposisi Laser Berdenyut

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a dan b menunjukkan 2θ -ω pemindaian linier film SSNO dengan berbagai tekanan oksigen yang ditumbuhkan pada substrat kristal tunggal LAO(001) di sepanjang orientasi (002) dan (101), masing-masing. Dengan suhu substrat dijaga pada 780 °C, film dalam grup A dibuat di bawah 1 × 10 ⁻³ , 0,03, 0,2, 5, dan 20 Pa, sebagaimana dilambangkan. Hanya puncak refleksi (002) dan (101) yang dapat diamati, menunjukkan bahwa tidak ada fase pengotor lain dalam film. Lebih lanjut dapat dibuktikan dengan XRD 2 yang luasθ -ω scan film disiapkan pada 20 Pa dan 780 °C, sebagai perwakilan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. S1. Untuk menyelidiki pengaruh dopan Nb pada sifat struktural, hasil XRD film SSO dengan kondisi pertumbuhan yang sama juga disajikan pada Gambar. S1. Diamati bahwa (00 l ) puncak film SSNO naik ke 2θ . yang lebih tinggi sudut dibandingkan dengan film SSO, yang dapat dikaitkan dengan perbedaan jari-jari ion Nb ⁵⁺ (0.64 Å) dan Sn ⁴⁺ (0,69 Å). Dengan penurunan tekanan oksigen deposisi di grup A, puncak difraksi bergerak ke bawah 2θ sudut secara bertahap, memberikan peningkatan parameter kisi dan volume sel. Gambar 1c menyajikan kurva goyang yang diambil dari (002) puncak film SSNO dalam kelompok A. Lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) sebagai fungsi tekanan oksigen ditunjukkan pada sisipan Gambar 1c. Saat tekanan oksigen meningkat dari 1 × 10 ⁻³ sampai 20 Pa, nilai FWHM menurun dari 1,08° menjadi 0,17°, menunjukkan bahwa film yang dibuat pada 20 Pa memiliki kristalinitas tertinggi. Terlihat bahwa lebih banyak oksigen bermanfaat untuk nukleasi, kristalisasi, dan pertumbuhan film SSNO. Fenomena serupa telah dilaporkan pada film SSO yang kekurangan oksigen dan film ZnO [35, 36]. Gambar 1d dan e menggambarkan film SSNO dalam kelompok B yang berorientasi sepanjang (002) dan (101) refleksi tanpa fase lain. Sampel ini diendapkan pada 0,2 Pa dengan suhu substrat 660, 700, 740, 780, dan 820 °C. XRD φ pemindaian dilakukan untuk menyelidiki orientasi dalam bidang film SSNO sehubungan dengan substrat LAO dengan mengatur bidang difraksi sebagai ψ =45°. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1f, puncak refleksi empat kali lipat dari film yang dibuat pada 780 °C dan 0,2 Pa dengan interval 90° antara dua puncak yang berdekatan terjadi pada sudut yang sama dengan substrat LAO, yang menunjukkan bahwa film SSNO tumbuh secara epitaksial. pada substrat LAO(001) dengan orientasi kubus-di-kubus.

XRD 2θ -ω pola pemindaian film SSNO pada substrat LAO(001) di sepanjang a (002) dan b (101) orientasi dengan tekanan oksigen yang berbeda. c XRD ω kurva -goyang diambil pada (002) puncak film. Inset menunjukkan hasil FWHM dengan memvariasikan tekanan oksigen dari 1 × 10 ⁻³ sampai 20 Pa. d dan e adalah 2θ -ω scan film dengan berbagai suhu substrat di sepanjang (002) dan (101) masing-masing. f φ pemindaian film SSNO yang diendapkan pada 0,2 Pa dan 780 °C dan substrat LAO di sekitar (101) pantulan

Parameter kisi di dalam dan di luar bidang untuk film yang disimpan di bawah berbagai tekanan oksigen dapat dihitung dengan menggunakan (002) dan (101) puncak difraksi dari Gambar 1a dan b. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, volume sel dan parameter kisi menunjukkan tren penurunan yang sama dengan peningkatan tekanan oksigen dari 1 × 10 ⁻³ hingga 20 Pa Nilai yang dihitung dari tiga parameter untuk sampel yang diendapkan ini disajikan pada Tabel 1. Variasi konstanta kisi dengan tekanan oksigen deposisi juga telah diamati pada film perovskit kekurangan oksigen lainnya [29, 35] dan dapat dianggap berasal dari keberadaan kekosongan oksigen. Faktanya, terdapat tolakan Coulomb yang kuat antara kation A dan B (dalam kasus ini Sr dan Sn atau Nb), dan interaksi ini akan ditingkatkan dengan kepadatan tinggi dari kekosongan oksigen bermuatan positif [29, 37]. Dengan penurunan tekanan oksigen deposisi, konstanta kisi dalam bidang bervariasi lebih kecil daripada konstanta kisi luar bidang, yang terkait dengan proses pertumbuhan film. Fenomena serupa juga dapat ditemukan pada film BSO yang kekurangan oksigen [29]. Gambar 2b menunjukkan hasil RSM dari refleksi asimetris (\( \overline{1} \)03) yang diperoleh dari film dengan berbagai tekanan oksigen. Hanya titik difraksi dari film SSNO dan substrat LAO yang dapat diamati. Orang dapat dengan jelas melihat bahwa film hampir sepenuhnya rileks karena ketidakcocokan kisi yang cukup besar antara film dan substrat. Nilai ketidakcocokan kisi dievaluasi menjadi 7.04, 7.07, 7.12, 7.13, 7.15% dengan tekanan oksigen yang bervariasi dari 20 hingga 1 × 10 ⁻³ Pa Sementara itu, jarak yang lebih besar antara titik-titik film dan substrat diperoleh, menyiratkan pembesaran parameter kisi untuk film SSNO. Selain itu, dengan menurunkan tekanan oksigen, titik refleksi film SSNO menjadi menyebar dan intensitasnya lebih lemah, yang sesuai dengan hasil yang dikumpulkan dari XRD ω kurva -goyang yang disebutkan di atas. Konstanta kisi a , b , dan c dari film SSNO atau substrat LAO juga dapat diperkirakan menggunakan Q _x ^* dan Q _y ^* nilai (a =b =−λ/ 2T _x ^* dan c = 3λ/ 2T _y ^* ). Ditemukan bahwa konstanta kisi yang dihitung dari RSM konsisten dengan konstanta dari 2θ -ω pemindaian linier. Hasil RSM pada bidang (\( \overline{1} \)03) dari film yang diendapkan pada 0,2 Pa dengan berbagai suhu substrat juga ditunjukkan pada Gambar. S2. Bintik-bintik film diamati pada posisi yang hampir sama, menunjukkan parameter kisi yang serupa dari film-film ini.

a Variasi parameter kisi dalam dan luar bidang dan volume sel dengan peningkatan tekanan oksigen dari 1 × 10 ⁻³ sampai 20 Pa. b XRD RSM pada (1̅03) refleksi yang dikumpulkan dari heterostruktur SSNO/LAO

Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3, XPS digunakan untuk menyelidiki keadaan valensi unsur kimia untuk film yang ditumbuhkan pada 780 °C di bawah tekanan oksigen yang berbeda. Semua energi ikat dikoreksi dengan mengkalibrasi C 1s puncaknya pada 284,6 eV. Gambar 3a menggambarkan doublet dari Sr 3d spektrum dengan pemisahan puncak 1,8 eV untuk semua sampel yang diselidiki. Energi ikat 135,05 ± 0,10 eV dan 133,25 ± 0,10 eV dapat diberikan ke Sr 3d _3/2 dan Sr 3d _5/2 baris, masing-masing, menunjukkan Sr ²⁺ ion dalam film yang diendapkan [38]. Data XPS dari Sn 3d negara ditunjukkan pada Gambar. 3b. Berdasarkan database NIST, energi ikat Sn 3d _5/2 di Sn ⁰ , Sn ²⁺ , dan Sn ⁴⁺ negara bagian terletak kira-kira di 485.0, 485.9, dan 486,6 eV, masing-masing. Untuk sampel yang disiapkan di bawah 20, 5, dan 0,2 Pa, dua garis Sn 3d _3/2 dan Sn 3d _5/2 ditemukan terletak pada 494,68 dan 486,27 eV dengan pemisahan spin-orbit sebesar 8,4 eV, menunjukkan bahwa hanya Sn ⁴⁺ negara dalam film-film ini. Namun, dengan penurunan tekanan oksigen menjadi 1 × 10 ⁻³ Pa, Sn 3d puncak bergeser sedikit ke arah energi ikat yang lebih rendah dengan posisi pada 494,59 dan 486,18 eV, menunjukkan konversi parsial dari Sn ⁴⁺ ke Sn ²⁺ . Hasil ini juga membantu menjelaskan perubahan signifikan dalam konstanta kisi sampel sebagai jari-jari ionik Sn ²⁺ (1.12 Å) lebih besar dari Sn ⁴⁺ (0,69 Å), akibatnya, efek promosi pada pembesaran kisi. Fenomena transisi valensi yang serupa pada Sn juga dapat diamati pada film SSO yang didoping Ta [26] dan film BSO yang didoping La [39]. Gambar 3c menunjukkan Nb 3d spektrum dengan doublet sesuai dengan transisi dari Nb 3d _3/2 dan Nb 3d _5/2 dipisahkan oleh 2,7 eV. Dapat dilihat bahwa energi ikat Nb 3d _3/2 dan Nb 3d _5/2 muncul pada sekitar 210,10 dan 207,40 eV untuk sampel pada 0,2-20 Pa, sedangkan menurun menjadi 209,77 dan 207,07 eV untuk 1 × 10 ⁻³ Pa Hasil ini menegaskan bahwa ion Nb disajikan dalam keadaan +5 dalam film SSNO [40,41,42]. Sedikit penurunan energi ikat Nb 3d sinyal untuk sampel yang disiapkan di bawah vakum tinggi mungkin disebabkan oleh perubahan lingkungan kimia di sekitar ion Nb. Gambar 3d menjelaskan asimetris O 1s sinyal dari film SSNO. Semua data dapat dipecah menjadi tiga kurva campuran menggunakan fungsi Gaussian-Lorentzian. Satu puncak yang terletak pada energi ikat terendah 529,94 ± 0,15 eV sesuai dengan oksigen kisi, sedangkan dua puncak lainnya dengan energi ikat lebih tinggi 531,48 ± 0,15 eV dan 532,50 ± 0,15 eV berkorelasi dengan O ²⁻ ion terletak di daerah kekosongan oksigen dan oksigen terikat longgar, masing-masing [29, 43]. Area terintegrasi di bawah puncak energi ikat rendah, menengah, dan tinggi dilambangkan sebagai O_A , O_B , dan O_C . Kemudian konsentrasi kekosongan oksigen relatif untuk setiap film dihitung dengan menghitung [O_B /(O_A + O_B )]. Nilai rasio ini diambil dari data pada Gambar 3d adalah 47,5, 19,8, 16,0, dan 15,1% dengan meningkatnya tekanan oksigen dari 1 × 10 ⁻³ hingga 20 Pa, menunjukkan bahwa konsentrasi kekosongan oksigen secara bertahap meningkat dengan menurunkan tekanan oksigen dalam film SSNO.

Spektrum XPS dari (a ) Suster 3d , (b ) Sn 3d , (c ) Nb 3d , dan (d ) O 1s diperoleh dari film SSNO dengan berbagai tekanan oksigen

Untuk memahami efek tekanan oksigen dan suhu deposisi pada sifat transpor film SSNO, pengukuran efek Hall dilakukan untuk menentukan konsentrasi pembawa (n ), Mobilitas aula (μ ), dan resistivitas listrik (ρ ) pada suhu kamar seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Sampel pada 1 × 10 ⁻³ Pa diukur memiliki resistivitas tinggi ~ 100 MΩ (tidak ditampilkan), dan semua film lainnya dipamerkan n -jenis konduksi. Seperti dapat dilihat dari Gambar 4a, konsentrasi pembawa meningkat menjadi 6,03 × 10 ¹⁹ /cm ³ dengan menurunkan tekanan oksigen dari 20 menjadi 0.2 Pa Elektron, sebagai pembawa muatan utama dalam film SSNO, dihasilkan oleh ionisasi dari kekosongan oksigen dan penggantian situs Sn dengan Nb. Konsentrasi Nb dapat diperkirakan dari pengukuran XPS dengan membandingkan area di bawah Nb 3d dan Sn 3d puncak dan mengoreksi dengan faktor sensitivitas. Rasio atom Nb/(Sn + Nb) dihitung menjadi 0,061, 0,064, dan 0,071 untuk film yang tumbuh di bawah 0,2, 5, dan 20 Pa, masing-masing. Peningkatan konsentrasi dopan dengan meningkatnya tekanan oksigen juga dapat ditemukan pada film tipis ZnO yang didoping Gd [44]. Konsentrasi Nb yang dihitung sedikit lebih besar dari konten doping nominal dalam film SSNO, yang mungkin disebabkan oleh analisis XPS semi-kuantitatif. Di sisi lain, dengan penurunan tekanan oksigen menjadi 0,2 Pa, konsentrasi kekosongan oksigen relatif meningkat secara bertahap seperti yang dapat dibuktikan dari hasil XPS. Oleh karena itu, lebih banyak pembawa yang disumbangkan oleh peningkatan jumlah kekosongan oksigen, serta variasi konsentrasi doping dapat menjelaskan penyebab konsentrasi pembawa yang lebih tinggi. Perlu dicatat bahwa pergeseran posisi puncak dari (002) dengan memvariasikan tekanan oksigen mungkin juga terkait dengan deviasi konsentrasi dopan. Mobilitas elektron bervariasi dengan tren konsentrasi pembawa yang sama, menunjukkan nilai maksimum 3,31 cm ² /Vs pada 0.2 Pa.Penurunan mobilitas dengan meningkatnya tekanan oksigen berasal dari pergeseran tingkat Fermi menuju pusat celah, yang mengarah ke efektivitas yang lebih besar dari pusat hamburan yang terletak di bawah tepi pita konduksi [45]. Dalam pertimbangan hubungan ρ =1/neμ (di mana e adalah muatan elektron), resistivitas suhu kamar terendah 31,3 mΩcm yang diamati pada 0,2 Pa adalah hasil dari konsentrasi pembawa terbesar dan mobilitas elektron pada tekanan oksigen deposisi ini. Namun, dengan penurunan tekanan oksigen menjadi 0,03 Pa, kemudian menjadi 1 × 10 ⁻³ Pa, cacat oksigen yang cukup besar dihasilkan dalam film SSNO, yang memiliki struktur tidak teratur, kristalinitas buruk (lihat inset Gambar 1c) yang mendukung lokalisasi elektron [46]. Selain itu, analisis XPS menunjukkan ketidakseimbangan muatan Sn ²⁺ dan Sn ⁴⁺ dalam sampel pada 1 × 10 ⁻³ Pa, yang selanjutnya akan menghalangi peningkatan konsentrasi pembawa dan menekan konduktivitas listrik [41]. Akibatnya, penurunan signifikan dalam kinerja transportasi diperoleh dari sampel pada 1 × 10 ⁻³ Pa Kecenderungan variasi serupa juga telah diamati pada film ZnO [47] dan film BSO [48]. Selanjutnya, dengan tekanan oksigen deposisi yang ditetapkan pada 0.2 Pa, ketergantungan kinerja konduktif film pada suhu substrat diselidiki seperti yang disajikan pada Gambar. 4b. Jelas, densitas pembawa awalnya meningkat secara bertahap seiring dengan peningkatan suhu dari 660 menjadi 780 °C, dan nilai maksimum dicapai untuk sampel yang diendapkan 780 °C dengan nilai 6,03 × 10 ¹⁹ /cm ³ . Resistivitas menunjukkan kecenderungan yang berlawanan dengan konsentrasi pembawa, menunjukkan bahwa konduktivitas listrik dari film ini sangat ditentukan oleh konsentrasi pembawa. Resistivitas suhu kamar terendah sebesar 31,3 mΩcm diperoleh pada 780 °C. Mobilitas hall diamati memiliki hubungan suhu deposisi yang hampir sama dengan resistivitas. Oleh karena itu, ditemukan bahwa konduktivitas film SSNO juga dapat disetel oleh suhu substrat.

Resistivitas, konsentrasi pembawa, dan mobilitas film SSNO sebagai fungsi dari (a ) tekanan oksigen dari 20 hingga 0,03 Pa dan (b ) suhu substrat dari 660 hingga 820 °C diukur pada suhu kamar

Gambar 5a dan b menunjukkan kurva resistivitas yang bergantung pada suhu untuk film SSNO yang ditumbuhkan pada kondisi yang berbeda dalam kisaran suhu 30-300 K. Untuk film yang diendapkan pada 0,03 Pa, resistivitas meningkat dengan penurunan suhu (dρ /dT <0), yang merupakan karakteristik perilaku semikonduktor. Untuk memahami mekanisme konduksi, analisis terperinci dari resistivitas yang bergantung pada suhu dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada inset bawah Gambar 5a, terdapat hubungan linier antara Inρ dan T ^−1/4 , menunjukkan bahwa variabel-range hopping adalah mekanisme konduksi yang dominan [49]. Dapat diperhatikan bahwa hanya film yang diendapkan pada 0,2 Pa dengan suhu substrat 780 °C yang menunjukkan transisi logam-semikonduktor (MST) pada 157 K. Perilaku logam di atas suhu MST dapat dikaitkan dengan pembentukan pita degenerasi karena dengan densitas besar pembawa yang dimasukkan ke dalam sistem, sedangkan perilaku semikonduktor pada suhu yang lebih rendah dapat dijelaskan dengan lokalisasi elektron oleh ketidakteraturan [50, 51]. Perilaku MST serupa juga dapat ditemukan pada SSO yang didoping-Ta [26] dan film BSO yang kekurangan oksigen [29]. Untuk penjelasan lebih lanjut tentang mekanisme transpor dalam film ini, model konduktivitas dalam materi tak beraturan dapat digunakan ketika panjang gelombang Fermi elektronik λ _B =[2π /(3π ² n ) ^1/3 ] dan jalan bebas rata-rata l =(h /ρne ² λ _B ) menjadi sebanding [50, 52, 53]. Pada suhu rendah, λ _B dan l diperkirakan sebanding. Oleh karena itu, persamaan resistivitas Boltzmann semiklasik dipertimbangkan agar sesuai dengan data eksperimen seperti yang dijelaskan oleh hubungan berikut [54,55,56]:

$$ \rho (T)=\kern0.5em \frac{1}{\sigma_0+{a}_1T+{a}_2{T}^{1/2}}\kern0.75em +b{T}^2 $ $ (1)

Ketergantungan suhu resistivitas untuk film SSNO tumbuh pada berbagai tekanan oksigen (a ) dan berbagai suhu substrat (b ). Sisipan atas a menunjukkan hasil kecocokan linier yang sesuai dari vs DalamT , inset bawah Inρ dan T ^−1/4 . Sisipan b juga merupakan hubungan linier antara ρ dan DalamT

dimana σ ₀ adalah konduktivitas sisa, a ₁ T istilah sesuai dengan lokalisasi yang lemah, dan a ₂ T ^1/2 menggambarkan e ⁻ -e ⁻ interaksi untuk film 3D. Istilah bT ² disertakan untuk deskripsi diperpanjang untuk kontribusi hamburan pada suhu yang lebih tinggi. Garis abu-abu gelap yang solid melalui data eksperimen pada Gambar 5a menunjukkan bahwa persamaan (1) memberikan hasil yang sangat baik untuk ρ (T ). Nilai dari hasil pemasangan adalah σ ₀ =28,0 mΩ ⁻¹ cm ⁻¹ , a ₁ =0,02 mΩ ⁻¹ cm ⁻¹ K ⁻¹ , a ₂ =0,65 mΩ ⁻¹ cm ⁻¹ K ^−1/2 , dan b =9,19 × 10 ⁻⁹ mΩcmK ⁻² , masing-masing. Dapat disimpulkan bahwa interaksi elektron ke elektron terutama bertanggung jawab atas kontribusi resistivitas pada suhu rendah sebagai a ₁ jauh lebih kecil dari a ₂ . Dengan meningkatnya tekanan oksigen hingga 5 dan 20 Pa, nilai resistivitas film SSNO meningkat secara bertahap, dan perilaku semikonduktor mendominasi di seluruh rentang suhu yang diukur. Seperti yang ditunjukkan pada inset atas Gambar 5a, hubungan linier yang baik dari ρ -DalamB kurva dari dua sampel dapat diamati, menunjukkan bahwa mekanisme yang sesuai adalah lokalisasi lemah dua dimensi [57], yang pada dasarnya disebabkan oleh interferensi kuantum elektron konduksi pada cacat sistem. Mengingat hamburan inelastis di beberapa jalur konduksi elektron, efek interferensi hanya ada di t t ₁ ketika satu elektron mulai berdifusi dari titik tertentu di t =0. Ini, t ₁ adalah waktu hamburan inelastis. Sampel dengan berbagai suhu substrat pada Gambar. 5b semuanya menunjukkan perilaku semikonduktor dalam kisaran suhu dari 30 hingga 300 K. Terlihat jelas bahwa resistivitas yang bergantung pada suhu awalnya menurun dari 660 menjadi 780 °C, kemudian meningkat menjadi 820 °C dengan tekanan oksigen tetap pada 0.2 Pa Seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 5b, hubungan linier antara ρ dan DalamT untuk sampel pada 660, 700, 740, dan 820 °C juga menunjukkan mekanisme lokalisasi yang lemah [58, 59].

Spektrum transmisi dalam rentang panjang gelombang 200-1800 nm untuk film SSNO yang diendapkan di bawah 1 × 10 ⁻³ -20 Pa dan pada 660-820 °C masing-masing ditunjukkan pada Gambar 6a dan b. Transparansi optik film dengan berbagai tekanan oksigen dan suhu deposisi lebih dari 70% dalam kisaran spektral antara 600 dan 1800 nm, meskipun substrat dapat menyerap sebagian cahaya. Film menunjukkan transmitansi tinggi hingga ke daerah inframerah dekat, yang diperlukan untuk aplikasi TCO dalam sel surya. Karakteristik ini berbeda dari penurunan transmitansi di daerah inframerah-dekat karena penyerapan untuk sebagian besar film TCO [20, 60]. Selain itu, mereka juga diamati memiliki tepi serapan fundamental, yang terletak di daerah dekat-ultraviolet. Terlihat dari Gambar 6a bahwa tepi serapan film SSNO yang diendapkan pada 780 °C bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek dengan penurunan tekanan oksigen dari 20 menjadi 1 × 10 ⁻³ Pa, seperti yang ditunjukkan lebih jelas di inset. Namun, dengan tekanan oksigen tetap pada 0.2 Pa, tepi penyerapan film tumbuh pada berbagai suhu substrat hampir tumpang tindih seperti yang terlihat pada Gambar. 6b, menunjukkan bahwa suhu deposisi tidak jelas memodulasi sifat optik film SSNO. Celah pita E _g jumlah film dapat diperkirakan dari persamaan berikut:

$$ {\left(\alpha h\nu \right)}^n=A\left( h\nu -{\mathrm{E}}_{\mathrm{g}}\right) $$ (2)

The optical transmittance of the SSNO films fabricated at (a ) different oxygen pressures and (b ) different substrate temperatures in the wavelength range of 200-1800 nm. The plots of (α h ν ) ^1/2 versus h ν and (αh ν ) ² versus h ν for the films with various oxygen pressures are shown in Fig. 6c and d, respectively. The inset in Fig. 6d shows the direct and indirect band-gap energy variations by varying oxygen pressure from 1 × 10 ⁻³ to 20 Pa

dimana α represents the absorption coefficient, hν is the photon energy, n =1/2 for indirect band gap and 2 for direct, A is a constant related to electron-hole mobility, and E _g is the separation between the bottom of the conduction band and the top of the valence band. Here, α can be calculated using the relationship, α =(1/d )In(1/T ), where d stands for the film thickness and T is the transmittance. Figure 6c and d show the plots of (αhν ) ^1/2 and (αhν ) ² versus hν for the samples deposited at 780 °C with different oxygen pressures, respectively. The band gaps can be obtained by extrapolating the linear portions of the curves to α =0. Importantly, the band gap is evaluated to increase with decreasing oxygen pressure from 4.35 to 4.90 eV for the indirect gap and from 4.82 to 5.29 eV for the direct, described in the inset of Fig. 6d. With varying oxygen pressure from 20 to 0.2 Pa, the band gap widening of SSNO film with increased carrier concentration is related to the raised Fermi level in the conduction band of an n -type semiconductor, which is referred to as Burstein-Moss effect [61, 62]. As the low energy levels of conduction band were filled up by the conduction electrons, only the photons with higher energies can be absorbed, leading to an enlarged band gap [63]. For the samples deposited at lower oxygen pressures, the further increment in band gap is due to the generation of considerable oxygen vacancies in this film [35].

Kesimpulan

In summary, epitaxial Nb-doped SrSnO₃ thin films under different oxygen pressures and substrate temperatures were fabricated on LAO(001) substrates employing PLD. Film structures were characterized in detail using high-resolution X-ray diffraction, including 2θ -ω scans, φ scans, ω scan rocking curves, and RSM. XPS analysis reveals that the Nb ⁵⁺ is present in the SSNO films. Hall-effect measurements were carried out and the sample deposited at 0.2 Pa and 780 °C possesses the lowest room-temperature resistivity of 31.3 mΩcm, with the mobility of 3.31 cm ² /Vs and carrier concentration of 6.03 × 10 ¹⁹ /cm ³ . Temperature-dependent resistivity of this film shows a metal-semiconductor transition, which is discussed based on electron-electron interactions. However, the films grown at other conditions all exhibit semiconducting behavior, which can be analyzed using variable-range hopping or the two-dimensional weak localization model. A high optical transmittance of more than 70% for the films is observed in the wavelength range of 600 to 1800 nm. For the films with different oxygen pressures, the variation of band gap is attributed to Burstein-Moss shift and oxygen vacancies. The SSNO film can be tuned flexibly between an insulator and a conductor just by varying the oxygen deposition pressure. Such characteristic can be used in field-effect transistors and other electronic devices consisting of both insulating dielectric and conducting electrodes.

Ketersediaan Data dan Materi

The datasets and supporting information obtained in this paper are included in this article.

Singkatan

TCO:

Transparent conducting oxides

MST:

Metal-semiconductor transition

FWHM:

Lebar penuh pada setengah maksimum

Penilaian Efisiensi Serapan Seluler Menurut Beberapa Inhibitor Nanopartikel Cangkang Inti Fe3O4-Au:Kemungkinan untuk Mengontrol Endositosis Spesifik pada Sel Kanker Kolorektal Investigasi PEDOT Hybrid:PSS/β-Ga2O3 Deep Ultraviolet Schottky Barrier Photodetectors