近期，中國科學院科學家團隊——合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室科學家們在透明導電氧化物（transparent conducting oxide, TCO）薄膜研究方面取得系列進展，相關成果相繼在Advanced Electronic Materials (Adv. Electron. Mater. 4, 1700476 (2018))，Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C 5, 1885 (2017))，Chemical Communications (Chem. Commun. 50, 9697 (2014))等雜志上發表。

一般而言，材料的透明特性和導電性互不兼容。自然界中透明的物質(如玻璃)往往不導電，導電的物質(如金屬)往往不透明。實現透明性和導電性共存的主要措施是選擇寬禁帶半導體或絕緣體以確?？梢姽鈪^的高透明性，再通過元素摻雜來引入載流子以實現導電性。按照該方法可實現具有高可見光區透明性和良好導電性共存的一類非常重要的材料體系即TCO。迄今，TCO薄膜已廣泛應用于平板顯示、太陽能光伏電池、觸摸屏和發光二極管等領域。

TCO材料根據導電載流子的類型分為n型即電子導電型和p型即空穴導電型。在n型TCO方面，近來有相關報道表明，寬帶隙鈣鈦礦BaSnO3基TCO表現出很高的室溫載流子遷移率，因而有望取代廣泛應用的錫摻雜氧化銦（In2O3:Sn, ITO）成為下一代TCO材料。固體所研究人員基于溶液法制備出了鈣鈦礦BaSnO3薄膜，經La元素摻雜及薄膜位錯密度調控，獲得了具有與真空法制備的BaSnO3薄膜相比擬的室溫載流子遷移率（~23 cm2/Vs），且可見光透過率超過80%，并提出氧空位是決定該體系載流子遷移率的重要調控因素。

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相關結果發表于Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 106, 101906 (2015)。進一步，科研人員通過在Sn位Sb摻雜提高了薄膜的載流子濃度，實現了薄膜電導率的大幅提升，構建了BaSnO3基薄膜溶液法生長機理與光電性能的關聯。相關結果發表于ACS Applied Energy Materials (ACS Appl. Energy Mater. 1, 1585 (2018))。 

與n型TCO相比，p型材料的性能和應用遠落后于n型材料體系。這源于金屬氧化物的電子結構與能帶結構：金屬氧化物中的金屬原子與氧原子以離子鍵結合，氧的2p能級遠低于金屬的價帶電子能級。由于氧離子具有很強的電負性，對價帶頂的空穴具有很強的局域化束縛作用，從而即使在價帶頂引入空穴，也將形成深受主能級，導致空穴載流子很難在材料中移動。理論設計已表明在銅鐵礦體系中可獲得透明和p型導電共存。

而Ag基和Cu基銅鐵礦相比較而言，具有更寬的光學帶隙及更低的光吸收系數。但由于Ag2O易于分解，導致Ag基銅鐵礦無法在開放系統中成功制備。固體所研究人員基于溶液法首次在開放系統中成功制備了Ag基p型銅鐵礦AgCrO2薄膜。該薄膜表現出(00l)晶面自組裝生長特征，且表現出較高的室溫電導率及可見光透過率。相關結果發表于Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C 5, 1885 (2017))，并被選為封面及2017年度熱點文章。 

此外，研究人員基于電子-電子關聯作用可有效調節材料的能帶結構和電子結構，設計并制備了兩種新型p型TCO薄膜。采用溶液法制備了強關聯Bi2Sr2Co2Oy薄膜，該薄膜表現出優良的p型透明導電特征，室溫電導率超過222 S/cm，可見光區透過率超過50%。相關結果發表于Chemical Communications (Chem. Commun. 50, 9697 (2014))。采用脈沖激光沉積制備了一種新型p型透明導電氧化物薄膜材料——鈣鈦礦結構La2/3Sr1/3VO3。在該薄膜材料中實現了導電性和光學透過率的良好平衡，獲得了截至目前最高的透明導電優值。相關結果發表于Advanced Electronic Materials (Adv. Electron. Mater. 4, 1700476 (2018))，并被選為卷首插頁。

文章來源：中國科學院

IEEE Spectrum

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