Физика

Исследование электронных и оптических свойств тонкопленочных покрытий на основе $SnO_2:Sb$

Т. О. Зинченко^a, Е. А. Печерская^a, В. Д. Кревчик^a, С. В. Коновалов^ab, Д. В. Артамонов^a, С. А. Гурин^a, М. Д. Новичков^a, А. В. Макиевский<sup>c

a</sup> Пензенский государственный университет, Пенза
^b Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк
^c SINTERFACE Technologies, Германия, Берлин

Аннотация: Актуальность и цели. Прозрачные проводящие оксиды (ППО) на основе диоксида олова ($SnO_2$), легированного сурьмой ($Sb$), представляют значительный интерес для современных технологий благодаря уникальному сочетанию высокой прозрачности в видимом диапазоне и хорошей электрической проводимости. Такие материалы широко применяются в оптоэлектронике, солнечных элементах и сенсорных устройствах. Однако для оптимизации их свойств необходимо глубокое понимание механизмов переноса заряда, что может быть достигнуто с использованием классической теории Друде. Целью данной работы является анализ на основе теории Друде электронных и оптических свойств тонкопленочных покрытий $SnO_2:Sb$, полученных методом спрей-пиролиза, а также исследование влияния концентрации носителей заряда и подвижности на проводимость и плазменную частоту. Материалы и методы. Тонкопленочные покрытия $SnO_2:Sb$ получены методом спрей-пиролиза на стеклянных подложках. Концентрация носителей заряда n определялась с помощью эффекта Холла, а удельное сопротивление измерялось четырехточечным методом. Для анализа электрофизических свойств использована классическая теория Друде, которая позволила рассчитать подвижность носителей, время релаксации и плазменную частоту. Оптические свойства исследовались с использованием спектроскопии в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Результаты. Проводимость пленок $SnO_2:Sb$ варьируется в диапазоне от 10$^3$до 10$^4$ См/м в зависимости от степени легирования сурьмой. Подвижность носителей заряда находится в диапазоне от 4,83 $\cdot$ 10$^{-4}$ до 15,91 $\cdot$ 10$^{-4}$ м$^{2}$/(В$\cdot$с). Плазменная частота принадлежит диапазону от 1,19 $\cdot$ 10$^{14}$ до 7,94 $\cdot$ 10$^{14}$ рад/с, что соответствует длинам волн от 378 до 2520 нм. Пленки $SnO_2:Sb$ демонстрируют высокую прозрачность (более 80 $\%$) в видимом диапазоне для образцов с низкой концентрацией носителей. С увеличением концентрации носителей наблюдается сдвиг плазменной частоты в ультрафиолетовую область, что приводит к снижению прозрачности в видимом диапазоне. Дрейфовая скорость линейно возрастает с увеличением напряжения (U) и уменьшается с увеличением расстояния (d) между контактами. Для образцов с высокой подвижностью дрейфовая скорость достигает значений 13,25 $\cdot$ 10$^{-4}$ при U = 5 мВ и d = 5 мм. Выводы. На основе теории Друде выполнен анализ электрофизических и оптических свойств тонкопленочных покрытий $SnO_2:Sb$, что позволило установить возможность оптимизации проводимости и прозрачности материала посредством варьирования степени легирования сурьмой. Показано, что дрейфовая скорость носителей заряда зависит от подвижности, напряжения и геометрии образца. Это открывает возможности для проектирования устройств с улучшенными характеристиками. Полученные результаты демонстрируют перспективность использования $SnO_2:Sb$ в оптоэлектронных устройствах, где требуется сочетание высокой прозрачности и проводимости.

Ключевые слова: прозрачные проводящие оксиды, спрей-пиролиз теория Друде, теория свободных электронов, перенос заряда, концентрация носителей заряда, подвижность носителей заряда, плазменная частота

УДК: 621.3.012.7

DOI: 10.21685/2072-3040-2025-1-7