The Role of Cation Coordination in the Electrical and Optical Properties of Amorphous Transparent Conducting Oxides
The Role of Cation Coordination in the Electrical and Optical Properties of Amorphous Transparent Conducting Oxides
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阳离子配位在非晶透明导电氧化物电学和光学性质中的作用
DOI：
10.1021/acs.chemmater.0c01672
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发表时间：
2020
影响因子：
8.6
通讯作者：
Bertoni, Mariana I.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Husein, Sebastian;Medvedeva, Julia E.;Perkins, John D.;Bertoni, Mariana I.
与晶态半导体材料相比，非晶态氧化物半导体材料在不影响电学性能的情况下显示了许多优点，但对实现这一点的基本原理的理解仍然难以捉摸。为了研究光电性能增强的原因，我们应用高通量、组合溅射、结构和光谱映射，并用密度泛函理论对一个三元过渡后金属氧化物系统，即锌锡氧化物进行了初始分子动力学计算强化模拟。所沉积的薄膜具有很高的优值系数，载流子密度在1019到1020 cm-3之间，载流子迁移率高达35cm2/vs。这些结果突出了局域扭曲和阳离子配位在确定载流子产生和输运的微观起源中的作用。特别是，我们确定了锡在贫锌和富锌相中配位不足的强烈可能性，从而导致观察到的高载流子浓度。这不仅不同于历史上仍然广泛存在的氧空位控制晶体氧化物中载流子数量的指控，而且提供了一个全面的框架来描述无序相材料中使用特定的结构和电子描述符来描述独特的结构-性质关系。
Amorphous oxide semiconductor materials have demonstrated numerous advantages without compromise of electrical properties as compared to their crystalline counterparts, yet understanding of the fundamental principles allowing this has remained elusive. To study the origins of enhanced optoelectronic properties, we apply high-throughput, combinatorial sputtering, structural and spectral mapping, and computationally intensiveab initiomolecular dynamics simulations with density functional theory to a ternary, post-transition metal oxide system, namely, zinc tin oxide. The deposited thin films exhibit a high figure of merit, achieving carrier densities in the range of 1019to 1020cm–3and carrier mobilities up to 35 cm2/Vs. These results highlight the role of local distortions and cation coordination in determining the microscopic origins of carrier generation and transport. In particular, we identify the strong likelihood of Sn undercoordination in both Zn-poor and Zn-rich phases leading to the high carrier concentrations observed. This not only diverges from the still widespread historical indictment of oxygen vacancies controlling carrier population in crystalline oxides but also provides a comprehensive framework to describe the unique structure–property relationships using specific structural and electronic descriptors in disordered phase materials.
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