Дефектная структура и механизмы проводимости в наноструктурированных оксидных плёнках, полученных методом спрей-пиролиза

Аннотация

Исследована дефектная структура и механизмы электронной проводимости в наноструктурированных плёнках прозрачных проводящих оксидов ZnO и SnO₂, полученных методом ультразвукового спрей-пиролиза при температурах 450–550°C. Комплексными методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и температурных измерений электропроводности в диапазоне 77–400 К выполнена идентификация основных типов точечных дефектов и проведён детальный анализ их влияния на электронные транспортные свойства. Размер кристаллитов составил 15–35 нм для ZnO и 20–45 нм для SnO₂. Концентрация носителей заряда достигает (2–8)·10¹⁷ см⁻³ для ZnO и (5–15)·10¹⁷ см⁻³ для SnO₂, подвижность электронов при комнатной температуре составляет 15–25 см²/(В·с) и 8–18 см²/(В·с) соответственно. Установлено, что проводимость плёнок определяется совокупностью трех основных процессов: внутризёренным транспортом электронов по зоне проводимости, туннелированием через потенциальные барьеры высотой 80–120 мэВ на межзёренных границах и термически активированной прыжковой проводимостью по дефектным состояниям. Впервые предложена комплексная физическая модель проводимости, учитывающая морфологические особенности наноструктурированных плёнок, размерное распределение зёрен и энергетическое распределение дефектных состояний. Методами ЭПР- и ФЛ-спектроскопии показано, что кислородные вакансии VO (g-фактор 1.959) и межузельные атомы цинка Zni (g-фактор 2.024) являются основными донорными центрами в ZnO, тогда как в SnO₂ доминируют кислородные вакансии (g-фактор 1.930) и дефектные комплексы. Квантово-химические расчеты в приближении DFT+U подтвердили энергии образования дефектов: 3.2 эВ для VO и 2.8 эВ для Zni в ZnO. Разработанная модель успешно описывает экспериментальные температурные зависимости электропроводности и позволяет количественно предсказывать электрические свойства оксидных плёнок в зависимости от условий синтеза, что открывает возможности для целенаправленной оптимизации технологических параметров получения прозрачных проводящих покрытий с заданными функциональными характеристиками.