二价锡基氧硫族半导体透明导电材料的理论设计

Transparent conductive materials are compounds that combine glass-like transparency with metal-like conductivity. Recently, p-type transparent conductive material becomes a hot subject of optoelectronic functional materials. The key approach to achieve high-performance transparent conductive material is decoupling and optimizing the conductivity and transparency properties. In this project, by using CALYPSO methodology combing with first-principles calculations, we propose to design divalent Sn based oxychalcogenide semiconductors for transparent conductive materials. The design advantage of our project is that both divalent Sn and chalcogens except oxygen can lead to dispersive valence-band edge and higher carrier (hole) mobility, and thus conductivity and transparency increase together. Afterwords, the mechanism of doping on visible light transparency and electrical conductivity of materials will be studied by in-house developed theoretical method. Through the implementation of this project, the new p-type transparent conductive materials with excellent performance will be identified, thus promoting the development of new optoelectronic devices and related industries.

透明导电材料具有如玻璃般透明、金属般导电的物理性质。近年来，p型透明导电材料成为光电信息功能材料的研究热点。其设计和性能优化的核心是实现电导率和透明度的协同提高。本项目拟采用卡里普索（CALYPSO）材料设计方法结合第一性原理物性计算，探索和设计稳定性高、透明度和导电性能优异的p型二价锡基氧硫族半导体透明导电材料。其优势在于同时利用二价锡和硫族元素可对价带边能带进行调制的设计新思路，可增大价带边能带曲率、提高载流子（空穴）迁移率，从而实现电导率和透明度的协同提高。并利用自主发展的理论方法深入研究掺杂下材料透明度和导电性的协同变化机理。本项目有望获得性能优异的新型p型透明导电材料，促进新的光电子器件及其相关产业的发展，具有重要的科学意义和实用价值。

透明导电材料具有如玻璃般透明、金属般导电的物理性质。n型透明导电材料性能优异，已实现商业化应用。然而p型透明导电材料因性能不足而阻碍了相关产业的发展。因此p型透明导电材料成为目前光电信息功能材料的研究热点。p型透明导电材料性能优化的关键是实现电导率和透明度的协同提高。本项目采用卡里普索（CALYPSO）材料设计方法结合第一性原理物理性质计算，设计出潜在稳定、导电性能优异的p型二价锡基硫族元素半导体材料：SrSnS2、SrSnSe2、BaSnSe2。我们的设计优势在于同时利用二价锡和硫族元素可对价带边能带进行调制的设计新思路，可增大价带边能带曲率、提高载流子（空穴）迁移率，从而实现电导率和透明度的协同提高。价带边的反键行为使该3类材料易形成p型缺陷或者掺杂，有利于实验合成p型导电特性的半导体材料。这3类材料的平均空穴有效质量都<1m0，表明它们具有较高的空穴载流子迁移率。电输运性质（σ/τ）计算表明最优输运方向上它们具有可与PbTe和GeTe比拟的导电性。吸收谱计算表明这3类材料在可见光区域具有较强的光吸收，因此需要通过相关的透明度调节机制可有效提高其透明度，进而实现其应用，例如滤波透明导电材料。本项目获得的新型p型导电材料（SrSnS2、SrSnSe2、BaSnSe2），可促进新的光电子器件及其相关产业的发展，具有重要的科学意义和实用价值。