Влияние энергии факела на характеристики пленок SnО$_2$:Sb при использовании безкапельного метода ИЛО

Задача: Пленки прозрачных проводящих оксидов широко используются в качестве прозрачных высокопроводящих тонкопленочных материалов для применения в различных областях, таких как солнечные элементы [1], газовые сенсоры [2], оптоэлектронные устройства, высокотемпературные зеркала [3] и плоско-панельные дисплеи. Пленки оксида олова, легированные сурьмой, обладают более высокой термической и химической стабильностью по сравнению с пленками оксида индия, легированными оловом, а также механической прочностью, что позволяет им выдерживать воздействия окружающей среды, при которых работают солнечные элементы. Разработка новых оптоэлектронных приборов на гибких подложках, а также устройств органической электроники выдвигает повышенные требования к качеству и условиям синтеза таких соединений: необходимо обеспечить получение высокого коэффициента пропускания в видимой области спектра и низкого удельного сопротивления при температурах подложки не более 150$^o$С в процессе получения. Целью настоящей работы было получение методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) в бескапельном режиме на подложках из кварцевого стекла тонких пленок SnO$_2$:Sb, при различных условиях осаждения без последующего отжига и исследование структурных, электрических и оптических свойств полученных тонких пленок SnO$_2$:Sb.
Методология: Метод ИЛО обладает определенными преимуществами по сравнению с другими методами получения тонких многокомпонентных оксидных пленок. Состав пленок, выращенных методом ИЛО, благодаря неравновесным условиям осаждения, полностью воспроизводит состав компонентов мишени. Пленки, полученные методом ИЛО, кристаллизуются при более низких температурах подложки по сравнению с другими физическими методами парового осаждения благодаря высоким кинетическим энергиям (> 1 эВ) ионизированных инжектированных частиц в создаваемой лазерной плазме. Возможность управления энергетическим спектром факела позволила исследовать особенности роста и управления свойствами выращиваемых пленок.
Результаты: На подложках кварцевого стекла без последующего отжига получены тонкие пленки SnO$_2$:Sb методом импульсного лазерного осаждения со скоростной сепарацией частиц при различных условиях осаждения в диапазоне плотности энергии на мишени от 3,4 Дж $\cdot$ см$^{-2}$ до 6,8 Дж $\cdot$ см$^{-2}$. Минимум удельного сопротивления 1,2 $\cdot$ 10$^{-3}$ Ом см получен при плотности энергии 4,6 Дж $\cdot$ см$^{-2}$, температуре подложки 300$^\circ$С и давлении кислорода 20 мТорр и концентрации сурьмы в пленке 2 ат.%. Средний коэффициент пропускания в видимой области спектра таких пленок составил 85%, а оптическая ширина запрещенной зоны 5,3 эВ. Шероховатость пленок не превышала 30 нм.
Обсуждение результатов: Получены тонкие пленки SnO$_2$:Sb методом импульсного лазерного осаждения в бескапельном режиме на подложках из кварцевого стекла без последующего отжига. Исследованы структурные, электрические и оптические свойства пленок, полученных при различных условиях осаждения. Установлено, что плотность энергии на мишени и уровень легирования пленок SnO$_2$ сурьмой влияют на их пропускание и проводимость. Определены оптимальные условия получения пленок бескапельным методом ИЛО с точки зрения высокой прозрачности в видимой области спектра и хорошей проводимости. Установлено влияние уровня легирования на характеристики пленок (проводимость, прозрачность, фазовый состав и морфологию пленок). Определены оптимальные условия получения пленок SnO$_2$:Sb с точки зрения высокой проводимости и прозрачности в видимой области спектра при максимально низкой температуре подложки, что очень важно для напыления таких пленок на гибкие органические подложки.
Практическое значение: Использование метода импульсного лазерного осаждения (ИЛО) обеспечивающего увеличение энергии частиц в плазменном факеле при синтезе тонких пленок, позволит наносить эти материалы на гибкие полимерные органические подложки благодаря существенному снижению температуры кристаллизации пленок. Получен и исследован новый материал для прозрачных электродов и p-n-переходов на их основе, который необходим для разработки оптоэлектронных приборов.