Optimisasi Kinerja Listrik dan Optik Film Epitaksial SrSnO3 Doped Nb melalui Ablasi Laser Terpancar
Abstrak
Film tipis SrSnO3 (SSNO) doped Nb ditumbuhkan epitaksial pada substrat kristal tunggal LaAlO3(001) menggunakan ablasi laser terpancar di bawah berbagai tekanan oksigen dan suhu substrat. Struktur kristal, properti listrik, dan optik film ditelisteni secara terinci. Hasil difraksi sinar-X menunjukkan bahwa volume sel film berkurang secara bertasama dengan peningkatan tekanan oksigen sambil mempertahankan karakteristik epitaksial. Analisis spektroskopi fotoelektron sinar-X mengonfirmasi status oksidasi Nb5+ dalam film SSNO. Pengukuran efek Hall dilakukan dan film yang disiapkan pada 0,2 Pa dengan suhu substrat 780 °C menunjukkan resistivitas suhu ruang terendah sebesar 31,3 mΩcm dan mobilitas Hall sebesar 3,31 cm²/Vs dengan konsentrasi pembawa sebesar 6,03 × 10¹⁹/cm³. Resistivitas bergantung suhu dari sampel ini menampilkan transisi logam-semikonductor dan dijelaskan terutama oleh efek interaksi elektron-elektron. Transparansi optik film lebih dari 70% dalam rentang panjang gelombang dari 600 hingga 1800 nm. Band gap meningkat dari 4,35 hingga 4,90 eV untuk jarak tidak langsung dan 4,82 hingga 5,29 eV untuk jarak langsung dengan menurunkan tekanan oksigen dari 20 hingga 1 × 10⁻³ Pa, yang dapat ditafsirkan oleh efek Burstein-Moss dan kosong oksigen yang dihasilkan dalam vacuum tinggi.
Latar Belakang
Oksida konduktor transparan (TCO) adalah materi luar biasa yang memiliki resistivitas listrik rendah dan transparansi optik tinggi. Kombinasi dua fitur signifikan ini membuat TCO bahan kunci untuk aplikasi luas dalam perangkat optoelektronik, seperti junc pn, transistor efek medan, dan sel surya [1,2,3,4,5,6,7]. Sebagai materi TCO tipikal, In2O3 doped Sn telah banyak digunakan karena transmisisinya yang lebih dari 90% dalam wilayah spektrum terlihat dan konduktivitas yang unggul sebesar 1 × 10⁴ S/cm [8]. TCO terkenal lainnya, termasuk ZnO doped Al [9, 10] dan SnO2 doped Sb [11], juga menarik perhatian. Karakteristik konduktif yang cukup tinggi ini berkaitan dengan struktur elektronik khusus, di mana band konduksi terdiri dari orbital s logam yang tidak terlokalisasi, yang mengarah pada massa efektif elektron yang rendah dan dispersi tinggi. Dalam suatu materi, massa efektif rendah dan dispersi tinggi dapat menghasilkan konduktivitas listrik yang tinggi. Namun, oksida biner ini memiliki keterbatasan masing-masing seperti ketidakstabilan termal dan kimiawi, yang akan menyebabkan masalah degradasi dalam operasi aplikasi elektronik oksida. Oleh karena itu, ada banyak upaya untuk mencari materi alternatif dengan performa yang memuaskan untuk mengatasi kelemahan oksida biner. Materi dengan struktur perovskit telah ditemukan menunjukkan properti fisik yang luar biasa, seperti superkonduktivitas [12], multiferroisitas [13], dan magnetoresistensi kolosal [14]. Dibandingkan dengan TCO biner konvensional, mereka menunjukkan stabilitas struktural yang lebih baik dan dapat lebih fleksibel dalam modifikasi kimia, yang dapat meningkatkan properti fisik mereka atau berkontribusi pada realisasi fungsionalitas baru.
Stannat tanah alkali A SnO3 (A = Ca, Sr, dan Ba) menarik perhatian besar karena properti dielektrik yang menarik dan aplikasinya seperti dalam kapasitor stabil termal [15,16,17]. Terkini, perovskit ini juga telah menerima perhatian yang cukup besar sebagai film TCO baru berdasarkan fitur unik dari transparansi optik tinggi dan mobilitas pembawa tinggi [18,19,20,21,22]. Band valensi mereka terdiri terutama dari orbital O 2p dan band konduksi sebagian besar disumbangkan oleh orbital Sn 5s yang terletak di atas level Fermi, yang menghasilkan band gap yang lebar [23]. Massa efektif elektron yang kecil, sehingga konduktivitas listrik yang baik dari A SnO3 dapat disebabkan oleh ukuran besar Sn yang memberikan tepi band konduksi dengan karakter s antibonding [23]. Di antara A SnO3, SrSnO3 (SSO) menunjukkan perilaku semikonductor dengan band gap 4,1 eV dan memiliki struktur ortorombik dengan konstanta jaringan a = 5,708 Å, b = 5,703 Å, dan c = 8,065 Å [24]. Film SSO murni tidak konduktif. Untuk meningkatkan lebih lanjut konduktivitas film SSO, banyak elemen telah dipilih untuk doping film SSO untuk menghasilkan pembawa dengan mengganti situs A atau B, seperti La untuk situs Sr [25], dan Ta untuk situs Sn [26]. Memilih elemen doping yang tepat dan konsentrasi dopan yang sesuai sangat penting untuk mendapatkan film TCO dengan performa tinggi, serta kondisi pertumbuhan yang dioptimalkan. Elemen Nb sering diadopsi untuk mengganti sebagian film TCO, karena lebih banyak pembawa cenderung dihasilkan dalam sistem materi berkat kation Nb5+ dengan valensi tinggi. Memang, densitas pembawa yang tinggi yang dihasilkan dengan memasukkan ion Nb telah ditunjukkan sesuai dengan hasil eksperimen dan perhitungan prinsip pertama. Sebagai contoh, film TiO2 doped Nb menunjukkan resistivitas suhu ruang sebesar 2 × 10⁻⁴ Ωcm [27], dan film ZnO doped Nb menunjukkan resistivitas terendah sebesar 8,95 × 10⁻⁴ Ωcm [28]. Dari sudut pandang fisika intrinsik dan ilmu dasar, donatur Nb akan mendonasi satu elektron ke band konduksi SSO saat ion Sn diganti oleh Nb karena jari-jari ionik yang mirip antara Nb5+ (0,64 Å) dan Sn4+ (0,69 Å), dan akan menghasilkan konduktivitas yang ditingkatkan dalam film SSO yang di-dope elektron. Di sisi lain, properti fisik film TCO juga dapat diatur di bawah berbagai tekanan dan suhu oksigen penampilan selama pertumbuhan film. Kinerja transportasi BaSnO3 (BSO) [29], LaNiO3 [30], dan film SrTiO3 [31], dan perilaku magnetik film ZnO doped Gd [32, 33] sebelumnya dilaporkan menunjukkan sensitivitas terhadap tekanan oksigen. Film SSO doped La dan film BSO doped Nd juga menunjukkan korelasi yang menarik antara properti listrik dan suhu penampilan [20, 34]. Untuk mengontrol performa fisik dengan lebih baik dan untuk mendapatkan film tipis berkualitas tinggi untuk penelitian, sangat penting untuk mempelajari dampak kondisi penampilan kunci ini pada film tipis. Namun, laporan sebelumnya sangat terbatas mengenai efek tekanan oksigen dan suhu substrat pada properti struktural, optik, dan listrik film tipis SSO. Oleh karena itu, kami berfokus pada aspek ini dalam pekerjaan ini. Serangkaian film SSO doped Nb dibuat oleh ablasi laser terpancar (PLD). Untuk menghindari pengaruh pada pengukuran transmisi film, substrat kristal tunggal LaAlO3 dengan band gap lebar 5,5 eV digunakan untuk menampilan film tipis. Tekanan oksigen selama pertumbuhan bervariasi dari 1 × 10⁻³ hingga 20 Pa dan suhu substrat dari 660 hingga 820 °C. Struktur, properti listrik, dan optik film ditelisteni secara terinci.
Metode
Target Sr(Sn0.95Nb0.05)O3 (SSNO) dibuat oleh reaksi keadaan padat menggunakan SrCO3, SnO2, dan Nb2O5 dengan kekurnan tinggi sebagai bahan baku dengan suhu sinter akhir dipertahankan pada 1520 °C selama 10 jam. Dua grup film tipis SSNO epitaksial (A dan B) ditumbuhkan pada substrat LaAlO3(001) [LAO(001)] oleh PLD menggunakan laser excimer KrF 248 nm untuk ablasi target SSNO dengan laju ulang 3 Hz. Kepadatan energi laser pada permukaan target yang berputar sekitar 1,8 J/cm², dan jarak substrat-target dipertahankan pada 55 mm. Sampel grup A pertama kali disiapkan untuk mengoptimalkan resistivitas dengan bervariasi tekanan oksigen dari 1 × 10⁻³ hingga 20 Pa sambil mempertahankan suhu substrat konstan pada 780 °C. Berdasarkan tekanan oksigen yang dioptimalkan, film dalam grup B kemudian ditampilan pada berbagai suhu substrat antara 660 dan 820 °C untuk mengeksplorasi lebih lanjut kondisi pertumbuhan optimal. Sebelum mengalirkan oksigen murni, tekanan dasar kamera adalah 1 × 10⁻⁴ Pa. Setelah penampilan, semua film dianil in situ selama 15 menit sebelum didinginkan dalam suasana oksigen yang sama. Struktur film dikarakterisir menggunakan difraksi sinar-X resolusi tinggi (XRD) dari diffractometer Empyrean PANalytical dengan sumber Cu Kα1 (λ = 1,5406 Å). Pemindaian difraksi dalam bidang dan luar bidang 2θ-ω dan φ dilakukan untuk menentukan pertumbuhan epitaksial. Pemindaian ω dilakukan untuk mengonfirmasi kristalinitas film, dan pemetaan ruang reciprok (RSM) digunakan untuk menyelidiki keadaan tekanan. Laju pertumbuhan film diperkirakan menggunakan refleksivitas sinar-X, dan ketebalan setiap film yang ditampilan dikontrol pada 230 nm. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Thermo, escalab 250XI) digunakan untuk menganalisis status valensi elemen. Pengukuran efek Hall dilakukan dengan geometri van der Pauw pada sistem Ecopia HMS-3000 pada suhu ruang. Kurva dependensi suhu resistivitas untuk film diperoleh dalam rentang suhu dari 300 hingga 30 K dengan metode empat terminal standar menggunakan meter sumber Keithley 2400. Transmisi optik dalam rentang panjang gelombang 200-1800 nm diukur oleh spektrometer UV-vis (Lambda 950, Perkin Elmer, AS).
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1a dan b menunjukkan pemindaian linier 2θ-ω dari film SSNO dengan berbagai tekanan oksigen yang ditumbuhkan pada substrat kristal tunggal LAO(001) sepanjang orientasi (002) dan (101), masing-masing. Dengan suhu substrat dipertahankan pada 780 °C, film dalam grup A dibuat di bawah 1 × 10⁻³, 0,03, 0,2, 5, dan 20 Pa, seperti yang ditunjukkan. Hanya puncak refleksi (002) dan (101) yang dapat diamati, menunjukkan bahwa tidak ada fase pengotor lain dalam film. Ini dapat dibuktikan lebih lanjut oleh pemindaian XRD 2θ-ω rentang luas dari film yang disiapkan pada 20 Pa dan 780 °C, sebagai perwakilan seperti yang ditunjukkan pada Gambar S1. Untuk menyelidiki efek dopan Nb terhadap properti struktural, hasil XRD film SSO dengan kondisi pertumbuhan yang sama juga disajikan pada Gambar S1. Terlihat bahwa puncak (00 l) film SSNO bergerak ke sudut 2θ yang lebih tinggi dibandingkan dengan film SSO, yang dapat disebabkan oleh perbedaan jari-jari ionik Nb5+ (0,64 Å) dan Sn4+ (0,69 Å). Dengan menurunkan tekanan oksigen penampilan dalam grup A, puncak difraksi bergerak ke sudut 2θ yang lebih rendah secara bertasama, memberikan peningkatan parameter jaringan dan volume sel. Gambar 1c menyajikan kurva rocking yang diambil dari puncak (002) film SSNO dalam grup A. Lebar setengah maksimum (FWHM) sebagai fungsi tekanan oksigen ditunjukkan pada insen Gambar 1c. Saat tekanan oksigen meningkat dari 1 × 10⁻³ hingga 20 Pa, nilai FWHM berkurang dari 1,08° hingga 0,17°, yang menunjukkan bahwa film yang disiapkan pada 20 Pa memiliki kristalinitas tertinggi. Terlihat bahwa lebih banyak oksigen bermanfaat untuk nukleasi, kristalisasi, dan pertumbuhan film SSNO. Fenomena serupa telah dilaporkan dalam film SSO yang kekurangan oksigen dan film ZnO [35, 36]. Gambar 1d dan e menggambarkan film SSNO dalam grup B yang berorientasi pada refleksi (002) dan (101) tanpa fase lain. Sampel ini ditampilan pada 0,2 Pa dengan suhu substrat 660, 700, 740, 780, dan 820 °C. Pemindaian φ XRD dilakukan untuk menyelidiki orientasi dalam bidang film SSNO terhadap substrat LAO dengan menetapkan bidang difraksi sebagai ψ = 45°. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1f, empat puncak refleksi lipatan dari film yang dibuat pada 780 °C dan 0,2 Pa dengan interval 90° antara dua puncak berseberangan muncul pada sudut yang sama dengan substrat LAO, yang menunjukkan bahwa film SSNO ditumbuhkan epitaksial pada substrat LAO(001) dengan orientasi kubus-pada-kubus.
Pola pemindaian XRD 2θ-ω dari film SSNO pada substrat LAO(001) sepanjang a (002) dan b (101) orientasi dengan berbagai tekanan oksigen. c Kurva rocking XRD ω diambil pada puncak (002) film. Inset menunjukkan hasil FWHM dengan bervariasi tekanan oksigen dari 1 × 10⁻³ hingga 20 Pa. d dan e adalah pemindaian 2θ-ω dari film dengan berbagai suhu substrat bersama bidang (002) dan (101), masing-masing. f Pemindaian φ dari film SSNO yang ditampilan pada 0,2 Pa dan 780 °C dan substrat LAO sekitar refleksi (101)
Parameter jaringan dalam bidang dan luar bidang untuk film yang ditampilan di bawah berbagai tekanan oksigen dapat dihitung menggunakan puncak difraksi (002) dan (101) dari Gambar 1a dan b. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, volume sel dan parameter jaringan 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 ditampilan ini disajikan dalam Tabel 1. Variasi konstanta jaringan dengan tekanan oksigen penampilan juga telah diamati dalam film perovskit kekurangan oksigen lainnya [29, 35] dan dapat disebabkan oleh keberadaan kosong oksigen. Faktanya, ada repulsif Coulomb yang kuat antara kation A dan B (Sr dan Sn atau Nb dalam hal ini), dan interaksi ini akan ditingkatkan oleh densitas tinggi kosong oksigen yang bermuatan positif [29, 37]. Dengan menurunkan tekanan oksigen penampilan, konstanta jaringan dalam bidang bervariasi lebih sedikit daripada konstanta jaringan luar bidang, yang terkait dengan proses pertumbuhan film. Fenomena serupa juga dapat ditemukan dalam film BSO kekurangan oksigen [29]. Gambar 2b menunjukkan hasil RSM dari refleksi asimetrik (1̅03) yang diperoleh dari film dengan berbagai tekanan oksigen. Hanya titik difraksi dari film SSNO dan substrat LAO yang dapat diamati. Seseorang dapat dengan jelas melihat bahwa film hampir sepenuhnya rileks karena ketidakcocokan jaringan yang besar antara film dan substrat. Nilai ketidakcocokan jaringan dievaluasi sebesar 7,04, 7,07, 7,12, 7,13, 7,15% dengan bervariasi tekanan oksigen dari 20 hingga 1 × 10⁻³ Pa. Sementara itu, jarak yang lebih besar antara titik film dan substrat diperoleh, yang mengindikasikan perbesaran parameter jaringan untuk film SSNO. Selain itu, dengan menurunkan tekanan oksigen, titik refleksi film SSNO menjadi berserak dan lebih lemah dalam intensitas, yang sesuai dengan hasil yang dikumpulkan dari pemindaian rocking XRD ω yang disebutkan di atas. Konstanta jaringan a, b, dan c dari film SSNO atau substrat LAO juga dapat diperkirakan menggunakan nilai Qx* dan Qy* (a = b = −λ/2Qx* dan c = 3λ/2Qy*). Ditemukan bahwa konstanta jaringan yang dihitung dari RSM konsisten dengan yang berasal dari pemindaian linier 2θ-ω. Hasil RSM pada bidang (1̅03) film yang ditampilan pada 0,2 Pa dengan berbagai suhu substrat juga ditunjukkan pada Gambar S2. Titik film diamati pada posisi yang hampir sama, yang menunjukkan parameter jaringan yang serupa dari film-film ini.
a Variasi parameter jaringan dalam bidang dan luar bidang serta volume sel dengan peningkatan tekanan oksigen dari 1 × 10⁻³ hingga 20 Pa. b RSM XRD pada refleksi (1̅03) yang dikumpulkan dari heterostruktur SSNO/LAO
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, XPS digunakan untuk menyelidiki status valensi elemen kimia untuk film yang ditumbuhkan pada 780 °C di bawah berbagai tekanan oksigen. Semua energi ikatan dikoreksi dengan mengkalibrasi puncak C 1s pada 284,6 eV. Gambar 3a menggambarkan ganda spektra Sr 3d dengan pemisahan puncak 1,8 eV untuk semua sampel yang diteliti. Energi ikatan 135,05 ± 0,10 eV dan 133,25 ± 0,10 eV dapat ditetapkan pada garis Sr 3d3/2 dan Sr 3d5/2 masing-masing, yang menunjukkan ion Sr2+ dalam film yang ditampilan [38]. Data XPS status Sn 3d ditunjukkan pada Gambar 3b. Berdasarkan basis data NIST, energi ikatan Sn 3d5/2 dalam status Sn0, Sn2+, dan Sn4+ terletak masing-masing sekitar 485,0, 485,9, dan 486,6 eV. Untuk sampel yang disiapkan di bawah 20, 5, dan 0,2 Pa, dua garis Sn 3d3/2 dan Sn 3d5/2 ditemukan terletak pada 494,68 dan 486,27 eV dengan pemisahan spin-orbit 8,4 eV, yang menunjukkan hanya status Sn4+ dalam film-film ini. Namun, dengan menurunkan tekanan oksigen hingga 1 × 10⁻³ Pa, puncak Sn 3d bergeser sedikit ke arah energi ikatan yang lebih rendah dengan posisi pada 494,59 dan 486,18 eV, yang mengungkapkan konversi parsial dari Sn4+ ke Sn2+. Hasil ini juga membantu menjelaskan perubahan signifikan dalam konstanta jaringan sampel karena jari-jari ionik Sn2+ (1,12 Å) lebih besar dari Sn4+ (0,69 Å), yang secara berakibat memberikan efek promosi pada perbesaran jaringan. Fenomena transisi valensi serupa dalam Sn juga dapat diamati dalam film SSO doped Ta [26] dan film BSO doped La [39]. Gambar 3c menunjukkan spektrum Nb 3d dengan ganda yang sesuai dengan transisi dari Nb 3d3/2 dan Nb 3d5/2 yang dipisahkan oleh 2,7 eV. Terlihat bahwa energi ikatan Nb 3d3/2 dan Nb 3d5/2 muncul sekitar 210,10 dan 207,40 eV untuk sampel pada 0,2-20 Pa, sementara menurun menjadi 209,77 dan 207,07 eV untuk 1 × 10⁻³ Pa. Hasil ini mengonfirmasi bahwa ion Nb tersedia dalam status +5 dalam film SSNO [40,41,42]. Penurunan ringan energi ikatan sinyal Nb 3d untuk sampel yang disiapkan di bawah vacuum tinggi mungkin disebabkan oleh perubahan dalam lingkungan kimia di sekitar ion Nb. Gambar 3d menggambarkan sinyal O 1s asimetrik dari film SSNO. Semua data dapat dipisahkan menjadi tiga kurva campuran menggunakan fungsi Gaussian-Lorentzian. Satu puncak terletak pada energi ikatan terendah 529,94 ± 0,15 eV sesuai dengan oksigen jaringan, sementara dua puncak lain dengan energi ikatan yang lebih tinggi sebesar 531,48 ± 0,15 eV dan 532,50 ± 0,15 eV berkaitan dengan ion O2− yang terletak di daerah kosong oksigen dan oksigen yang terikat longgar, masing-masing [29, 43]. Area terintegrasi di bawah puncak energi ikatan rendah, menengah, dan tinggi dinotasikan sebagai OA, OB, dan OC. Kemudian konsentrasi kosong oksigen relatif untuk setiap film diukur dengan menghitung [OB/(OA + OB)]. Nilai rasio ini yang diambil dari data pada Gambar 3d adalah 47,5, 19,8, 16,0, dan 15,1% dengan peningkatan tekanan oksigen dari 1 × 10⁻³ hingga 20 Pa, yang menunjukkan bahwa konsentrasi kosong oksigen secara bertasama meningkat dengan penurunan tekanan oksigen dalam film SSNO.
Spektrum XPS dari (a) Sr 3d, (b) Sn 3d, (c) Nb 3d, dan (d) O 1s yang diperoleh dari film SSNO dengan berbagai tekanan oksigen
Untuk memahami efek tekanan oksigen dan suhu penampilan terhadap properti transportasi film SSNO, pengukuran efek Hall dilakukan untuk menentukan konsentrasi pembawa (n), mobilitas Hall (μ), dan resistivitas listrik (ρ) pada suhu ruang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Sampel pada 1 × 10⁻³ Pa diukur memiliki resistivitas tinggi ~ 100 MΩ (tidak ditampilkan), dan film-film lainnya semua menunjukkan konduksi tipe n. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 4a, konsentrasi pembawa meningkat menjadi 6,03 × 10¹⁹/cm³ dengan menurunkan tekanan oksigen dari 20 hingga 0,2 Pa. Elektron, sebagai pembawa muatan utama dalam film SSNO, dihasilkan oleh ionisasi dari kosong oksigen dan penggantian situs Sn dengan Nb. Konsentrasi Nb dapat diperkirakan dari pengukuran XPS dengan membandingkan area di bawah puncak Nb 3d dan Sn 3d dan dikoreksi dengan faktor sensitivitas. Rasio atom Nb/(Sn + Nb) dihitung sebesar 0,061, 0,064, dan 0,071 untuk film yang ditumbuhkan di bawah 0,2, 5, dan 20 Pa, masing-masing. Peningkatan konsentrasi dopan dengan peningkatan tekanan oksigen juga dapat ditemukan dalam film tipis ZnO doped 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 menurunkan tekanan oksigen hingga 0,2 Pa, konsentrasi kosong oksigen relatif secara bertasama meningkat seperti yang dapat dibuktikan dari hasil XPS. Oleh karena itu, lebih banyak pembawa yang disumbangkan oleh jumlah kosong oksigen yang meningkat, serta variasi konsentrasi doping dapat menjelaskan penyebab konsentrasi pembawa yang lebih tinggi. Perlu diperhatikan bahwa perpindahan posisi puncak puncak (002) dengan bervariasi tekanan oksigen mungkin juga terkait dengan deviasi konsentrasi dopan. Mobilitas elektron bervariasi dengan tren yang sama dengan konsentrasi pembawa, menunjukkan nilai maksimum sebesar 3,31 cm²/Vs pada 0,2 Pa. Penurunan mobilitas dengan peningkatan tekanan oksigen berasal dari perpindahan level Fermi ke tengah jarak, yang mengarah pada efektivitas yang lebih besar dari pusat pencat yang terletak di bawah tepi band konduksi [45]. Dengan mempertimbangkan hubungan ρ = 1/neμ (di mana e adalah muatan elektron), resistivitas suhu ruang terendah sebesar 31,3 mΩcm yang diamati pada 0,2 Pa adalah hasil dari konsentrasi pembawa dan mobilitas elektron terbesar pada tekanan oksigen penampilan ini. Namun, dengan menurunkan tekanan oksigen hingga 0,03 Pa, lalu hingga 1 × 10⁻³ Pa, kosong oksigen yang signifikan dihasilkan dalam film SSNO, yang memiliki struktur yang tidak teratur, kristalinitas yang buruk (lihat insen Gambar 1c) yang mendukung lokalisasi elektron [46]. Selain itu, analisis XPS menunjukkan disproporsi muatan Sn2+ dan Sn4+ dalam sampel pada 1 × 10⁻³ Pa, yang akan lebih memblokir peningkatan konsentrasi pembawa dan menekan konduktivitas listrik [41]. Akibatnya, degradasi signifikan dalam kinerja transportasi diperoleh dari sampel pada 1 × 10⁻³ Pa. Kecenderungan variasi serupa juga telah diamati dalam film ZnO [47] dan film BSO [48]. Selanjutnya, dengan tekanan oksigen penampilan diatur pada 0,2 Pa, ketergantungan kinerja konduktif film pada suhu substrat diselidiki seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Jelas, densitas pembawa awalnya meningkat secara bertasama saat suhu meningkat dari 660 hingga 780 °C, dan nilai maksimum tercapai untuk sampel yang ditampilan pada 780 °C dengan nilai sebesar 6,03 × 10¹⁹/cm³. Resistivitas menunjukkan kecenderungan yang berlawanan dengan konsentrasi pembawa, yang menunjukkan bahwa konduktivitas listrik film-film ini sebagian besar ditentukan oleh konsentrasi pembawa. Resistivitas suhu ruang terendah sebesar 31,3 mΩcm diperoleh pada 780 °C. Mobilitas Hall diamati memiliki hubungan suhu penampilan yang hampir sama dengan resistivitas. Oleh karena itu, ditemukan bahwa konduktivitas film SSNO juga dapat diatur 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 yang diukur pada suhu ruang
Gambar 5a dan b menunjukkan kurva resistivitas bergantung suhu untuk film SSNO yang ditumbuhkan di bawah kondisi berbeda dalam rentang suhu 30-300 K. Untuk film yang ditampilan pada 0,03 Pa, resistivitas meningkat dengan penurunan suhu (dρ/dT < 0), yang merupakan karakteristik perilaku semikonductor. Untuk memahami mekanisme konduksi, analisis terinci terhadap resistivitas bergantung suhu dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada insen bawah Gambar 5a, ada hubungan linier antara lnρ dan T⁻¹/⁴, yang menunjukkan bahwa loncat jangkauan variabel adalah mekanisme konduksi dominan [49]. Perlu diperhatikan bahwa hanya film yang ditampilan pada 0,2 Pa dengan suhu substrat 780 °C yang menunjukkan transisi logam-semikonductor (MST) pada 157 K. Perilaku logam di atas suhu MST dapat disebabkan oleh pembentukan band degeneratif karena densitas pembawa yang besar yang diperkenalkan ke dalam sistem, sementara perilaku semikonductor pada suhu lebih rendah dapat dijelaskan oleh lokalisasi elektron oleh gangguan [50, 51]. Perilaku MST serupa juga dapat ditemukan dalam SSO doped Ta [26] dan film BSO kekurangan oksigen [29]. Untuk penjelasan lebih lanjut tentang mekanisme transportasi dalam film ini, model konduktivitas dalam materi tidak teratur dapat digunakan ketika panjang gelombang Fermi elektron λF = [2π/(3π²n)¹/³] dan bebas rata-rata l = (h/ρne²λF) menjadi dapat dibandingkan [50, 52, 53]. Pada suhu rendah, λF dan l diperkirakan dapat dibandingkan. Oleh karena itu, persamaan Boltzmann semiclassik untuk resistivitas dipertimbangkan untuk mencocokkan data eksperimental seperti yang dijelaskan oleh hubungan berikut [54,55,56]:
Ketergantungan suhu resistivitas untuk film SSNO yang ditumbuhkan pada berbagai tekanan oksigen (a) dan berbagai suhu substrat (b). Inset atas a menunjukkan hasil linier yang sesuai dari ρ vs lnT, insen bawah lnρ dan T⁻¹/⁴. Inset b juga hubungan linier antara ρ dan lnT
di mana σ0 adalah konduktivitas residual, istilah a1T sesuai dengan lokalisasi lemah, dan istilah a2T¹/² menjelaskan interaksi e⁻-e⁻ untuk film 3D. Istilah bT² disertakan untuk deskripsi yang diperpanjang dari kontribusi pencaran pada suhu yang lebih tinggi. Garis hitam kehilangan yang solid melalui data eksperimental pada Gambar 5a menunjukkan bahwa persamaan (1) memberikan hasil cocok yang sangat baik untuk ρ(T). Nilai hasil cocok adalah σ0 = 28,0 mΩ⁻¹ cm⁻¹, a1 = −0,02 mΩ⁻¹cm⁻¹K⁻¹, a2 = 0,65 mΩ⁻¹cm⁻¹K⁻¹/², dan b = 9,19 × 10⁻⁹ mΩcmK⁻², masing-masing. Dapat disimpulkan bahwa interaksi elektron-ke-elektron terutama bertanggung jawab atas kontribusi pada resistivitas pada suhu rendah karena a1 jauh lebih kecil dari a2. Dengan peningkatan tekanan oksigen hingga 5 dan 20 Pa, nilai resistivitas film SSNO meningkat secara bertasama, dan perilaku semikonductor mendominasi dalam seluruh rentang suhu yang diukur. Seperti yang ditunjukkan pada insen atas Gambar 5a, hubungan linier yang baik dari kurva ρ-lnT dari dua sampel dapat diamati, yang menunjukkan bahwa mekanisme yang sesuai adalah lokalisasi lemah dua dimensi [57], yang pada dasarnya disebabkan oleh interferensi kuantum dari elektron konduksi pada cacat sistem. Dengan mempertimbangkan pencaran inelastik dalam beberapa jalur konduksi elektron, efek interferensi hanya ada pada t < t1 ketika satu elektron mulai menyebar dari suatu titik pada t = 0. Di sini, t1 adalah waktu pencaran inelastik. Sampel dengan berbagai suhu substrat pada Gambar 5b semua menunjukkan perilaku semikonductor dalam rentang suhu dari 30 hingga 300 K. Terlihat dengan jelas bahwa resistivitas bergantung suhu awalnya menurun dari 660 hingga 780 °C, lalu meningkat hingga 820 °C dengan tekanan oksigen tetap pada 0,2 Pa. Seperti yang ditunjukkan pada insen Gambar 5b, hubungan linier antara ρ dan lnT untuk sampel pada 660, 700, 740, dan 820 °C juga menunjukkan mekanisme lokalisasi lemah [58, 59].
Spektrum transmisi dalam rentang panjang gelombang 200-1800 nm untuk film SSNO yang ditampilan di bawah 1 × 10⁻³-20 Pa dan pada 660-820 °C ditunjukkan pada Gambar 6a dan b, masing-masing. Transparansi optik film dengan berbagai tekanan oksigen dan suhu penampilan lebih dari 70% dalam spektrum antara 600 dan 1800 nm, meskipun substrat mungkin menyerap sebagian cahaya. Film menunjukkan transmisi tinggi hingga wilayah inframerah dekat, yang diperlukan untuk aplikasi TCO dalam sel surya. Karakteristik ini berbeda dengan transmisi yang menurun dalam wilayah inframerah dekat karena penyerapan untuk sebagian besar film TCO [20, 60]. Selain itu, mereka juga diamati memiliki tepi absorpsi dasar yang terletak dalam wilayah ultraviolet dekat. Terlihat dari Gambar 6a bahwa tepi absorpsi film SSNO yang ditampilan pada 780 °C bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek dengan penurunan tekanan oksigen dari 20 hingga 1 × 10⁻³ Pa, seperti yang ditunjukkan lebih jelas pada insen. Namun, dengan tekanan oksigen tetap pada 0,2 Pa, tepi absorpsi film yang ditumbuhkan pada berbagai suhu substrat hampir tumpang tindih seperti yang terlihat pada Gambar 6b, yang menunjukkan bahwa suhu penampilan tidak secara jelas memodulasi properti optik film SSNO. Band gap Eg film dapat diperkirakan dari persamaan berikut:
Transmisi optik film SSNO yang dibuat pada (a) tekanan oksigen yang berbeda dan (b) suhu substrat yang berbeda dalam rentang panjang gelombang 200-1800 nm. Plots (αhν)¹/² versus hν dan (αhν)² versus hν untuk film dengan berbagai tekanan oksigen ditunjukkan pada Gambar 6c dan d, masing-masing. Inset pada Gambar 6d menunjukkan variasi energi band gap tidak langsung dan langsung dengan bervariasi tekanan oksigen dari 1 × 10⁻³ hingga 20 Pa
di mana α mewakili koefisien absorpsi, hν adalah energi foton, n = 1/2 untuk band gap tidak langsung dan 2 untuk langsung, A adalah konstanta yang terkait dengan mobilitas lubang-elektron, dan Eg adalah pemisahan antara dasar band konduksi dan puncak band valensi. Di sini, α dapat dihitung menggunakan hubungan, α = (1/d)ln(1/T), di mana d adalah ketebalan film dan T adalah transmisi. Gambar 6c dan d menunjukkan plot (αhν)¹/² dan (αhν)² versus hν untuk sampel yang ditampilan pada 780 °C dengan berbagai tekanan oksigen, masing-masing. Band gap dapat diperoleh dengan ekstrapolasi bagian linier kurva ke α = 0. Pentingnya, band gap dievaluasi meningkat dengan penurunan tekanan oksigen dari 4,35 hingga 4,90 eV untuk jarak tidak langsung dan dari 4,82 hingga 5,29 eV untuk jarak langsung, seperti yang dijelaskan pada insen Gambar 6d. Dengan bervariasi tekanan oksigen dari 20 hingga 0,2 Pa, perlebaran band gap film SSNO dengan konsentrasi pembawa yang meningkat terkait dengan pergeseran level Fermi dalam band konduksi dari semikonductor tipe n, yang disebut efek Burstein-Moss [61, 62]. Karena level energi rendah band konduksi terisi oleh elektron konduksi, hanya foton dengan energi lebih tinggi yang dapat diserap, yang mengarah pada band gap yang diperluas [63]. Untuk sampel yang ditampilan pada tekanan oksigen yang lebih rendah, peningkatan lebih lanjut band gap disebabkan oleh pembentukan kosong oksigen yang signifikan dalam film ini [35].
Kesimpulan
Dalam ringkasan, film tipis SrSnO3 doped Nb epitaksial di bawah berbagai tekanan oksigen dan suhu substrat dibuat pada substrat LAO(001) menggunakan PLD. Struktur film dikarakterisir secara terinci menggunakan difraksi sinar-X resolusi tinggi, termasuk pemindaian 2θ-ω, pemindaian φ, kurva rocking pemindaian ω, dan RSM. Analisis XPS mengungkapkan bahwa Nb5+ ada dalam film SSNO. Pengukuran efek Hall dilakukan dan sampel yang ditampilan pada 0,2 Pa dan 780 °C memiliki resistivitas suhu ruang terendah sebesar 31,3 mΩcm, dengan mobilitas sebesar 3,31 cm²/Vs dan konsentrasi pembawa sebesar 6,03 × 10¹⁹/cm³. Resistivitas bergantung suhu dari film ini menunjukkan transisi logam-semikonductor, yang dibahas berdasarkan interaksi elektron-elektron. Namun, film yang ditumbuhkan di kondisi lain semua menunjukkan perilaku semikonductor, yang dapat dianalisis menggunakan model loncat jangkauan variabel atau model lokalisasi lemah dua dimensi. Transparansi optik tinggi lebih dari 70% untuk film diamati dalam rentang panjang gelombang 600 hingga 1800 nm. Untuk film dengan berbagai tekanan oksigen, variasi band gap disebabkan oleh pergeseran Burstein-Moss dan kosong oksigen. Film SSNO dapat diatur secara fleksibel antara isolator dan konduktor hanya dengan bervariasi tekanan oksigen penampilan. Karakteristik ini dapat digunakan dalam transistor efek medan dan perangkat elektronik lain yang terdiri dari dielektrik isolator dan elektroda konduktif.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset dan informasi pendukung yang diperoleh dalam makalah ini termasuk dalam artikel ini.
