基于高空间分辨电子显微学In2-xGaxO3(ZnO)m缺陷分析

In2-xGaxO3(ZnO)m has tremendous application potential as a channel material for field-effect transistors in the flat panel display, field emission sensors, and other fields. Analysis on the spatial distribution of oxygen vacancy and its contribution to the carrier is important for the oxygen vacancy tuning in In2-xGaxO3(ZnO)m and the acquisition of high quality channel materials for field-effect transistors. In this project, In2-xGaxO3(ZnO)m nanowires and nanobelts are systematically studied employing the high spatial resolution analytical electron microscopy, theoretic calculation and properties characterization. This project aims at investigating the relationship among the microstructure and electrical properties of In2-xGaxO3(ZnO)m on the atomic scale. Through high resolution transmission electron microscope images and corresponding electron energy loss near edge structure of each element in different section, the spatial distribution and ionized states of oxygen vacancy in the crystal structure of are In2-xGaxO3(ZnO)m investigated. Field effect transistors based on individual In2-xGaxO3(ZnO)m nanowire (and nanobelt) are fabricate, and the relationship between electrical conductivity and oxygen fugacity is analyzed. Based on the information above, the crystallographic structural model of In2-xGaxO3(ZnO)m is built. Based on the first principles, the partial density of states of In2-xGaxO3(ZnO)m with oxygen vacancy is calculated to analyze the interband transitions in its electron energy loss spectrum. Combined with the electrical performance of In2-xGaxO3(ZnO)m field effect transistors, how oxygen vacancy in the crystal structure of In2-xGaxO3(ZnO)m contributes to carrier is illuminated. These results could provide the theoretical instruction and the experimental foundation for the solution of technical bottleneck of In2-xGaxO3(ZnO)m.

In2-xGaxO3(ZnO)m作为透明场效应晶体管沟道材料在平板显示、传感器等众多领域具有广泛应用。研究氧空位在其晶体结构中的空间分布及对传导电荷的贡献，是运用缺陷工程手段对氧空位进行调控，从而获得高性能晶体管沟道材料的重要前提。项目以纳米带(线)为研究对象，基于高空间分辨电子显微学，结合理论计算和性能测试对材料的氧空位晶体学模型展开系统分析，揭示微观结构与电学性质的对应关系。通过高分辨透射电子显微图像观察微观结构和缺陷，空间对应地测试不同位置各元素的能损近边精细结构，分析氧空位的分布和电离状态；制作单根纳米线(带)的场效应晶体管，通过分析电导率和氧逸度的对应关系，提出氧空位晶体学模型；运用第一性原理计算电子结构，依据分波态密度标定电子能量损失谱中的带间跃迁，结合电学性能测试阐明氧空位对电荷传导的贡献，为从根本上解决应用技术瓶颈，形成量产规模提供科学依据。

针对 IGZO 材料在场效应晶体管方面的潜在应用，项目以纳米带(线)为研究对象，以获得高性能晶体管沟道材料为目的，基于高空间分辨电子显微学，结合理论计算和性能测试对材料的晶体学模型展开系统分析，揭示微观结构与电学性质的对应关系，剖析微观结构对 IGZO 材料电荷传导的影响。主要研究内容包括：.(1) 高空间分辨电子显微学研究：通过高分辨透射电子显微图像观察微观结构和缺陷，通过价电子能量损失谱空间定量地研究了该体系材料的电子有效质量及其电子态密度分布，从原子结构和电子结构分析IGZO材料电学性能的各向异性，建立IGZO材料微结构与光电性质的联系。该结果探索出一条可以在不同晶向上研究单个纳米材料电子结构的实验途径，对于微小尺寸材料构效关系的研究具有重要意义。.(2) 电学性能研究：采用低成本的微栅模板法，将单根IGZO超晶格纳米带/线分别制作成器件；基于金属-半导体-金属结构的直接电学测量方法，测量了IGZO纳米带的流压特性；提出了一种声子辅助的束缚电子跃迁输运模型解释流压特性的非线性特征，给出了其非线性流压关系式，为有效地提取纳米材料的电学参数提供新的思路。.(3) 第一性原理理论研究：通过对比四类近300种不同原子构型，筛选出IGZO的原子结构；引入位库伦相互作用修正IGZO材料的缺陷结构模型，在具有相同的对称性的轨道之间对能带进行校正。基于该结构模型，获得了与实验数据相符合的介电常数色散关系的理论计算结果，从而建立IGZO材料介电函数与微观结构的联系。.上述结果为IGZO材料作为高性能透明场效应晶体管沟道材料在平板显示、传感器等众多领域获得应用奠定基础，为优化设计和开发新型透明场效应晶体管沟道材料提供了科学依据和理论基础。.截止目前，共发表SCI收录论文11篇，其中一区（JCR-2017）论文8篇，二区论文2篇；申请发明专利3项；获得黑龙江省科学技术奖二等奖1项，黑龙江省高校科技奖二等奖1项。