透明导电体的物理机理研究与新材料设计

Through their combination of electrical conductivity and optical transparency, transparent conducting materials (TCMs) play essential role in modern optoelectronic devices，such as in flat panel displays, solar cells, and light emitting diodes. Even through transparent conducting oxides (TCOs) have been extensively studied in the past years, there are still many unresolved issues that have hindered the development of next generation TCMs. For example, the conductivity and transparency of many TCMs are still low, especially for p-type TCMs. In addition, some of currently used TCMs contain expensive elements, such as In, which could be an issue for wide usage of TCMs in modern device applications. Therefore, it is highly desirable to find or design new high performance and low cost TCMS to meet more demanding applications. In this proposal, we will study the underlying physics of TCMs, develop new theories, and design novel TCMs based on our understanding. Specifically, we will study how to control and optimize the band structure of TCMs through atomic transmutation and defect control; how to overcoming the doping limit in TCMs using non-equilibrium doping approaches; how to achieve required high optical and electrical properties in non-oxide materials, and how to obtain highly conducting p-type TCMs. We will study carrier scattering mechanism and the effects on the charge transport. We will also develop methodologies with which to identify TCMs with prospectively high electro-optical properties.

透明导电材料（TCMs），由于其同时具有良好的透光性和导电性，已被广泛应用于平板显示器、太阳能电池、发光二极管等光电子器件中。但TCMs也还存在着一些问题， 如材料的透光率和导电性还比较低，尤其是实现高导电率的p型材料非常困难， 某些元素（如氧化铟中的铟等）比较昂贵等。随着对器件性能和成本要求的提高，进一步提高TCM的性能和降低成本已经变得非常重要。在本项目中，我们将对目前TCM存在着的问题的物理机理进行深入研究，发展TCM理论和设计新型的TCM。 具体包括：如何通过元素替换和缺陷调控达到TCM中能带结构的优化、如何通过热力学非平衡态掺杂来克服TCM中常见的掺杂瓶颈、如何实现非氧化物TCMs、以及如何实现高导电率的p型TCMs。我们也将研究TCM中的载流子散射机理及其对电荷输运的影响。我们还将发展计算方法用于搜索具有高稳定性、高电导率、高光透射率的新型TCMs.

发展高稳定性且同时具有高电导率和光透射率的透明导电材料对于目前光电子器件应用具有极其重要的价值。本项目针对目前透明导电材料存在着一些普适性的问题，如：透光率和导电性难以同时提高，实现高导电率的p型材料极其困难等，通过发展先进的缺陷计算理论方法和基于元素替换的高通量材料搜索，缺陷与掺杂机理的研究和调控，能带结构优化等技术手段，克服了透明导电材料中的掺杂瓶颈、成功发展和设计出了具有高透光性和高导电率透明导电材料。研究成果包括：发展了维度无关的缺陷计算理论；利用过渡金属掺杂，在保持高透光性的同时，提高了透明导电氧化物的导电性能；通过元素替换与缺陷调控，优化和调控了多元阳离子透明导电氧化物的光学能隙；澄清了SnO2的基本能带结构，总结了影响透明导电氧化物的光学带隙和基本带隙差异性的基本物理规律；提出了具有强关联带边透明导电氧化物中实现有效p型掺杂的思路与策略；利用“反型能带结构”逆向设计出了3种新型p型无机金属卤化物钙钛矿透明导电体；通过高通量材料搜索，成功发现了7种具有高透光性和高导电率的p型透明导电体的钙钛矿材料；总结出了透明导电材料的能带结构特性、掺杂设计准则和具体实现方案。在该项目的支持下，共发表论文71篇，这其中包括Phys. Rev. Lett. 3篇、PNAS 1篇、Phys. Rev B 9篇、Phys. Rev. Appl. 6篇、Phys. Rev. Mater. 5篇。获批软件著作权2项。在人才培养方面，项目执行以来，项目骨干中有1人被评为优青，培养博士后6人，博士5名，研究生3名。在该项目的支持下，项目人员参加国际会议并做邀请报告12次，项目负责人2019年被邀请在国际知名杂志上撰写透明导电材料的发展路径图（Roadmap，2019）和展望（Perspective，2021）。