常压化学气相沉积Ti基透明导电氧化物薄膜及其光电性能研究

Nb掺杂TiO2薄膜（TNO）基于d轨道电子导电，其光电性能与基于s和p轨道电子导电的传统透明导电氧化物材料不同。目前对TNO的制备与性能研究处于起步阶段，对d轨道电子导电机理认识不足。本项目从提高TNO薄膜晶化程度、降低晶化温度入手，提出采用常压化学气相沉积方法在普通浮法玻璃衬底上利用籽晶层诱导结晶，原位低温制备多晶TNO透明导电膜。紧密围绕"籽晶层诱导晶化TNO薄膜的生长动力学"和"电子结构与薄膜微观结构对TNO光电性能的影响规律"这两个科学问题，深入研究多晶TNO薄膜的生长规律；结合第一性原理方法从电子结构层面探索d轨道电子导电与TNO薄膜光电性能的内在联系。本项目的实施为研究多晶Ti基透明导电薄膜的制备与性能、探索微观和电子结构影响其光电性能的物理机制开辟了新的思路，也为新型TCO材料的产业化奠定理论和技术基础，拓展传统浮法玻璃行业产品结构，具有重要的理论价值和实践意义。

采用第一性原理方法研究了锐钛矿相和金红石相TiO2，以及不同掺杂浓度的锐钛矿和金红石Nb:TiO2 (NbTi cell)模型和锐钛矿相Nb与氧空位(VO)或氧间隙原子（Oi）共掺杂模型(NbTi+VO cell和NbTi+Oi cell)的几何构型、电子结构和稳定性。计算结果表明GAA+U方法结果更加贴近锐钛矿相和金红石相TiO2实际值。经过掺杂Nb原子，金红石相和锐钛矿相的能带都会发生改变，费米能及将从禁带上升到导带底部，但是由于金红石相晶体结构的对称性更好，导致电子沿三个晶带轴的有效质量都很大，而掺杂Nb的锐钛矿相的电子沿c轴具有较低的有效质量。比较了共掺杂模型(NbTi+VO cell和NbTi+Oi cell)，结果显示，NbTi+VO cell模型中参与导电的电子中不仅有Nb邻近Ti原子的t2g (dxy)贡献，也有VO周围Ti eg (dz2, dx2-y2)参与贡献，而NbTi+Oi模型中的杂质能级处于禁带中，所以理论上NbTi+VO cell模型最有利于导电性。.利用溶胶凝胶法设计制备具有柱状晶形貌的TiO2和Nb掺杂TiO2薄膜。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等测试方法，可得在80%左右的湿度、溶胶陈化时间在1天、800℃的烧结温度条件下，TiO2具有最优异的柱状晶形貌。开展了化学气相沉积（APCVD）法和溶胶凝胶法制备Nb:TiO2(TNO)薄膜的研究，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、四探针、霍尔仪、紫外可见近红外分光光度计（UV/Vis）等表征手段，以探讨两种方法最佳制备工艺，以及掺杂浓度，晶体形貌、结晶度对TNO薄膜电光性能的影响。实验结果显示，550℃的沉积温度最有利于薄膜生长，经过退火后薄膜的结晶性能和电光性能都得到提升；而溶胶凝胶方法表示，随Nb掺杂浓度增加，TNO薄膜的结晶性能变差，晶体形貌恶化，导电性提升，但是可见光透过率下降，综合可得，掺杂浓度为10%时，薄膜具有最优异的电光综合性能，包括0.27MΩ/□的方块电阻，68%的可见光透过率。