C/N/F离子在过渡金属后金属氧化物薄膜中的扩散机理研究

It is easy for C/N/F ions to diffuse into the post-transition metal transparent conducting oxide (PTMO-TCO) films, which could influence the electro-optical property of films seriously. So it is important to research the diffusion mechanism of C/N/F ion in PTMO-TCO films, both for fundamental research and practical application. In the project, the C/N/F ion beam with low energy is used to react with the surface of PTMO-TCO films, by which the diffusion of ions in films could be simulated. The XPS and EELS techniques are used to study the diffusion of C/N/F ion at amorphous, grain boundary, and grain. The KFM and C-AFM techniques are used to study the influence of C/N/F ion diffusion on the electro-optical property along the normal direction of surface. The random walk model and finite thickness model are used to calculate the C/N/F ion diffusion at amorphous, grain boundary, and grain. Based on the results of XPS, EELS, KFM, and C-AFM, the boundary conditions of above two models could be deduced, by which the two model results at the boundary could be self-consistent and chimed each other. Through the project, the diffusion mechanism of C/N/F ion in PTMO-TCO films could be deduced by the analysis of experiment result and theory model.

过渡金属后金属氧化物基透明导电(PTMO-TCO)薄膜易受C/N/F离子的扩散，影响其光电稳定性，因此研究C/N/F离子在薄膜中的扩散机理成为该领域研究热点。本项目利用低能C/N/F离子束与PTMO-TCO薄膜表面相互作用，模拟上述离子在薄膜中的扩散过程；利用XPS和EELS分析上述离子在非晶/晶界/晶格处扩散的区别；利用KFM和C-AFM分析上述离子的扩散对薄膜光电性能在截面法线方向的变化；以随机行走模型和有限厚度模型分别模拟上述离子在非晶/晶界/晶格处的扩散，根据XPS/EELS/KFM/C-AFM结果，确定两种模型各自的边界条件，并保证两种模型计算结果在边界处自洽吻合，最终形成完整的扩散理论模型。该研究可从实验和理论两方面揭示C/N/F离子在PTMO-TCO薄膜中的扩散机理，为研究并扩展PTMO-TCO功能薄膜的使用提供新思路。

1. 项目的背景：.过渡金属后金属氧化物薄膜是重要的透明导电氧化物薄膜，以Sn掺杂In2O3(ITO) 薄膜为主。透明氧化物薄膜在应用时，易受C/N/F离子的扩散，影响其光电稳定性，因此研究C/N/F离子在上述透明氧化物薄膜中的扩散机理成为该领域研究热点。.2. 主要研究内容：.(1). 研究In2O3及ITO的(团簇+链接原子)模型，以及超团簇模型；.(2). 研究Sn掺杂位置，及Sn掺杂量与ITO电学性质之间的关系；.(3). 研究CHx基团、Nx+离子及NHx基团、NFx基团在ITO不同晶面的扩散规律；.3. 重要结果：.(1).从(团簇+链接原子)模型角度出发，In2O3的原胞为{[(Inb)-O6](Ind)3}，超团簇模型为8×{[(Inb)-O6](Ind)3}；ITO原胞的(团簇+链接原子)模型为{[Sn-O(6-0.17)](Ind)3}，超团簇模型为{[Sn-O(6-0.17)](Ind)3}3{[(Inb)-O6](Ind)3}5。.(2). 根据(团簇+链接原子)模型，给出Sn替位掺杂在(Inb)位置，在一个超团簇模型中，至少要有3个Sn分别替位掺杂在中心团簇、第一紧邻团簇、链接团簇的(Inb)位置，才能使ITO薄膜具有理想的电学性质。.(3). 根据ITO晶胞不同晶面原子排布规律，以及ITO晶胞不同晶面的表面自由能，CHx基团优先在(110)、(111)等低指数晶面扩散，但较难在(100)晶面扩散。CHx基团在ITO中扩散后，会与ITO中的O元素结合形成C-O键，降低ITO中的自由电子和空穴的含量，进而恶化ITO薄膜的光电性质。.(4). 根据ITO晶胞不同晶面原子排布规律，以及ITO晶胞不同晶面的表面自由能，Nx+离子几乎不能在ITO晶胞中扩散，NHx基团优先在(110)、(111)等低指数晶面扩散，但较难在(100)晶面扩散。.(5). 根据ITO晶胞不同晶面原子排布规律，以及ITO晶胞不同晶面的表面自由能，NFx基团较容易在ITO薄膜中扩散，适当的F扩散，不影响ITO薄膜的光点性能，但NFx基团扩散量过高时，会恶化ITO薄膜的光电性能。.4. 关键数据及其科学意义.(100)择优的ITO薄膜，可以有效抑制CHx基团、Nx+离子及NHx基团、NFx基团在ITO薄膜中的扩散，进而提高ITO薄膜的光电稳定性及服役寿命。