펄스 레이저 증착으로 Nb 도핑 SrSnO₃ 에피택셜 박막의 전기적·광학적 성능 최적화

요약

Nb 도핑 SrSnO₃(SSNO) 박막을 다양한 산소 압력과 기판 온도에서 펄스 레이저 증착으로 LaAlO₃(001) 단결정 기판 위에 에피택셜하게 성장시켰습니다. 박막의 결정 구조, 전기적, 광학적 특성을 자세히 조사했습니다. X선 회절 결과 박막의 셀 부피는 에피택셜 특성을 유지하면서 산소 압력 증가에 따라 점차 감소했습니다. X선 광전자 분광 분석으로 SSNO 박막에서 Nb⁵⁺ 산화 상태를 확인했습니다. 홀 효과 측정 결과 0.2 Pa, 780°C 기판 온도에서 제조된 박막이 상온에서 최저 저항률 31.3 mΩ·cm, 홀 이동도 3.31 cm²/V·s, 캐리어 농도 6.03×10¹⁹/cm³를 보였습니다. 이 시료의 온도 의존 저항률은 금속-반도체 전이를 보이며 주로 전자-전자 효과로 설명됩니다. 박막의 광학적 투명도는 600-1800 nm 파장 범위에서 70% 이상입니다. 밴드갭은 산소 압력을 20에서 1×10⁻³ Pa로 낮출 때 간접 밴드갭 4.35→4.90 eV, 직접 밴드갭 4.82→5.29 eV로 증가하며, 이는 버스타인-모스 효과와 고진공에서 생성된 산소 공공에 의해 해석됩니다.

배경

투명 전도성 산화물(TCO)은 낮은 전기 저항률과 높은 광학적 투명성을 모두 가진 특별한 물질입니다. 이 두 중요한 특성의 조합은 TCO를 pn 접합, 전계 효과 트랜지스터, 태양전지 등 광전자 소재의 핵심 물질로 만듭니다[1-7]. 대표적 TCO 물질인 Sn 도핑 In₂O₃는 가시광 영역에서 90% 이상의 높은 투과율과 1×10⁴ S/cm의 우수한 전도도로 널리 사용되었습니다[8]. Al 도핑 ZnO[9, 10], Sb 도핑 SnO₂[11] 등 다른 잘 알려진 TCO도 관심 대상입니다. 이러한 고성능 전도 특성은 전도대가 비편재 금속 s 오비탈로 구성되어 낮은 전자 유효 질량과 높은 분산을 가지는 특수한 전자 구조와 관련이 있습니다. 주어진 물질에서 낮은 유효 질량과 높은 분산은 높은 전기 전도도를 초래할 수 있습니다. 그러나 이러한 이산화 산화물은 열적, 화학적 불안정성이라는 고유한 한계가 있어 산화물 전자 응용의 작동에 열화 문제를 일으킵니다. 따라서 이진 산화물의 약점을 보완할 만족스러운 성능의 대체 물질을 찾기 위한 많은 노력이 있습니다. 페로브스카이트 구조를 가진 물질들은 초전도성[12], 다강성[13], 거대 자기저항[14] 등 예외적인 물리적 특성을 나타내는 것으로 발견되었습니다. 기존 이진 TCO에 비해 더 나은 구조적 안정성을 보이며 화학적 수정이 더 유연하여 물리적 특성을 개선하거나 새로운 기능을 실현하는 데 기여할 수 있습니다.

알칼리 토금속 주석산염 ASnO₃(A=Ca, Sr, Ba)는 흥미로운 유전 특성과 열적으로 안정한 커패시터 등의 응용으로 큰 관심을 받아왔습니다[15-17]. 최근 이 페로브스카이트들은 높은 광학적 투명성과 높은 캐리어 이동도라는 독특한 특징으로 새로운 TCO 박막으로도 주목받고 있습니다[18-22]. 이들의 원자가는 주로 O 2p 오비탈로 구성되고 전도대는 페르미 레벨 위에 위치한 Sn 5s 오비탈이 크게 기여하여 넓은 밴드갭을 만듭니다[23]. ASnO₃의 작은 전자 유효 질량과 우수한 전기 전도도는 전도대 가장자리에 반결합 s 특성을 주는 Sn의 큰 크기에 기인합니다[23]. ASnO₃ 중 SrSnO₃(SSO)는 4.1 eV 밴드갭의 반도체 거동을 보이며 a=5.708 Å, b=5.703 Å, c=8.065 Å의 격자 상수를 가진 사방정계 구조입니다[24]. 순수 SSO 박막은 전도성이 없습니다. SSO 박막의 전도도를 더 향상시키기 위해 많은 원소를 도핑하여 A 자리나 B 자리를 대체함으로써 캐리어를 생성했습니다. 예로 Sr 자리에 La[25], Sn 자리에 Ta[26] 등을 들 수 있습니다. 적절한 도핑 원소와 적정 도핑 농도 선택은 최적화된 성장 조건과 함께 고성능 TCO 박막을 얻기 위해 필수적입니다. Nb 원소는 Nb⁵⁺ 양이온의 높은 원자가로 물질 시스템에서 더 많은 캐리어가 생성되므로 TCO 박막의 부분적 치환에 자주 채택됩니다. 실제로 Nb 이온 도입으로 생성된 높은 캐리어 밀도는 실험적 및 제1원리 계산 결과로 입증되었습니다. 예를 들어 Nb 도핑 TiO₂ 박막은 상온 저항률 2×10⁻⁴ Ω·cm[27]를, Nb 도핑 ZnO 박막은 최저 저항률 8.95×10⁻⁴ Ω·cm[28]를 보였습니다. 내재적 물리학과 기초 과학 관점에서 Nb 도너는 Nb⁵⁺(0.64 Å)와 Sn⁴⁺(0.69 Å)의 유사한 이온 반지름으로 Sn 이온이 Nb로 치환될 때 SSO 전도대에 전자 하나를 기증하여 전자 도핑 SSO 박막에서 전도도 향상을 초래합니다. 반면 TCO 박막의 물리적 특성은 성장 중 증착 산소 압력과 온도 조건에 따라 조정될 수 있습니다. BaSnO₃(BSO)[29], LaNiO₃[30], SrTiO₃ 박막[31]의 수송 성능과 Gd 도핑 ZnO 박막[32, 33]의 자기 거동이 산소 압력에 민감함을 이전 보고서에서 확인했습니다. La 도핑 SSO 박막과 Nd 도핑 BSO 박막도 전기적 특성과 증착 온도 사이의 놀라운 상관관계를 보였습니다[20, 34]. 물리적 성능을 더 잘 제어하고 조사를 위한 고품질 박막을 얻기 위해 이러한 주요 증착 조건이 박막에 미치는 영향을 연구하는 것은 큰 의미가 있습니다. 그러나 산소 압력과 기판 온도가 SSO 박막의 구조적, 광학적, 전기적 특성에 미치는 영향에 대한 이전 보고는 매우 제한적입니다. 따라서 본 연구는 이 측면에 초점을 맞춥니다. 일련의 Nb 도핑 SSO 박막을 펄스 레이저 증착(PLD)으로 제조했습니다. 박막의 투과율 측정에 영향을 주지 않기 위해 5.5 eV의 넓은 밴드갭을 가진 LaAlO₃ 단결정 기판을 사용했습니다. 성장 중 산소 압력은 1×10⁻³~20 Pa, 기판 온도는 660~820°C로 변화시켰습니다. 박막의 구조, 전기, 광학 특성을 자세히 조사했습니다.

방법

Sr(Sn₀.₉₅Nb₀.₀₅)O₃(SSNO) 타겟은 고순도 SrCO₃, SnO₂, Nb₂O₅를 원료로 최종 소결 온도 1520°C에서 10시간 유지하는 고상 반응으로 제조했습니다. 두 그룹의 에피택셜 SSNO 박막(A, B)을 248 nm KrF 엑시머 레이저로 SSNO 타겟을 에이블레이션하여 LaAlO₃(001)[LAO(001)] 기판 위에 PLD로 성장시켰으며, 반복률 3 Hz를 사용했습니다. 회전하는 타겟 표면의 레이저 에너지 밀도는 약 1.8 J/cm², 기판-타겟 거리는 55 mm로 유지했습니다. A 그룹 시료는 기판 온도를 780°C로 고정한 채 산소 압력을 1×10⁻³~20 Pa로 변화시켜 저항률을 최적화했습니다. 최적화된 산소 압력을 기반으로 B 그룹 박막은 660~820°C의 서로 다른 기판 온도에서 증착하여 최적 성장 조건을 더 탐색했습니다. 순수 산소 유입 전 챔버 기본 압력은 1×10⁻⁴ Pa였습니다. 증착 후 모든 박막을 같은 산소 분위기에서 15분간 제자리 어닐링한 후 냉각했습니다. 박막 구조는 Cu Kα₁ 소스(λ=1.5406 Å)를 가진 고해상도 X선 회절(XRD, Empyrean PANalytical)로 특성화했습니다. 면내 및 면외 회절 2θ-ω 스캔과 φ 스캔을 수행하여 에피택셜 성장을 확인했습니다. ω 스캔으로 박막 결정성을 확인했고, 역공간 매핑(RSM)으로 변형 상태를 조사했습니다. 박막 성장률은 X선 반사율로 추정했으며, 각 증착 박막 두께는 230 nm로 제어했습니다. X선 광전자 분광법(XPS, Thermo, escalab 250XI)으로 원소 원자가 상태를 분석했습니다. 홀 효과 측정은 Ecopia HMS-3000 시스템으로 반데르파우 기하학을 사용하여 상온에서 수행했습니다. 박막의 온도 의존 저항률 곡선은 300~30 K 범위에서 Keithley 2400 소스 미터로 표준 4단자 법으로 얻었습니다. 200-1800 nm 파장 범위의 광학적 투과율은 UV-Vis 분광기(Lambda 950, Perkin Elmer, USA)로 측정했습니다.

결과 및 논의

Fig. 1a, b는 LAO(001) 단결정 기판 위에 성장한 다양한 산소 압력의 SSNO 박막에 대한 (002) 및 (101) 방향의 2θ-ω 선형 스캔을 보여줍니다. 기판 온도를 780°C로 유지한 A 그룹 박막은 1×10⁻³, 0.03, 0.2, 5, 20 Pa에서 제조되었습니다. 오직 (002)와 (101) 반사 피크만 관찰되어 박막에 다른 불순물 상이 없음을 나타냅니다. 이는 20 Pa, 780°C에서 제조된 박막의 광범위 XRD 2θ-ω 스캔으로 대표적으로 더 입증할 수 있습니다(Fig. S1). Nb 도펀트가 구조적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 동일한 성장 조건의 SSO 박막 XRD 결과도 Fig. S1에 제시했습니다. SSNO 박막의 (00l) 피크가 SSO 박막보다 높은 2θ 각도로 이동하는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 Nb⁵⁺(0.64 Å)와 Sn⁴⁺(0.69 Å)의 이온 반지름 차이에 기인합니다. A 그룹에서 증착 산소 압력이 감소함에 따라 회절 피크가 점차 낮은 2θ 각도로 이동하여 격자 매개변수와 셀 부피가 증가합니다. Fig. 1c는 A 그룹 SSNO 박막의 (002) 피크에서 얻은 로킹 커브입니다. Fig. 1c 인셋에 산소 압력 함수로 FWHM을 나타냈습니다. 산소 압력이 1×10⁻³에서 20 Pa로 증가함에 따라 FWHM 값이 1.08°에서 0.17°로 감소하여 20 Pa에서 제조된 박막이 가장 높은 결정성을 가짐을 나타냅니다. 더 많은 산소가 SSNO 박막의 핵형성, 결정화, 성장에 유리함을 알 수 있습니다. 유사한 현상이 산소 결핍 SSO 박막과 ZnO 박막에서도 보고되었습니다[35, 36]. Fig. 1d, e는 다른 기판 온도에서 0.2 Pa로 증착된 B 그룹 SSNO 박막의 (002) 및 (101) 반사 방향을 보여주며 다른 상은 없습니다. XRD φ 스캔을 수행하여 ψ=45°로 회절면을 설정하여 SSNO 박막의 LAO 기판에 대한 면내 배향을 조사했습니다. Fig. 1f에서 0.2 Pa, 780°C에서 제조된 박막의 90° 간격의 4중 반사 피크가 LAO 기판과 같은 각도에서 발생하여 SSNO 박막이 LAO(001) 기판 위에 큐브-온-큐브 배향으로 에피택셜하게 성장했음을 나타냅니다.

Fig. 1a, b의 (002)와 (101) 회절 피크로부터 다양한 산소 압력에서 증착된 박막의 면내 및 면외 격자 매개변수를 계산할 수 있습니다. Fig. 2a에서 보듯 셀 부피와 격자 매개변수는 산소 압력이 1×10⁻³에서 20 Pa로 증가함에 따라 같은 감소 추세를 보입니다. 이 증착 시료들의 세 매개변수 계산값은 Table 1에 제시했습니다. 증착 산소 압력에 따른 격자 상수 변화는 다른 산소 결핍 페로브스카이트 박막에서도 관찰되었으며[29, 35], 이는 산소 공공의 존재에 기인합니다. 실제로 A와 B 양이온(Sr과 Sn 또는 Nb) 사이에 강한 쿨롱 반발이 존재하며, 이 상호작용은 양전하를 띤 산소 공공의 높은 밀도에 의해 강화됩니다[29, 37]. 증착 산소 압력을 낮추면 면내 격자 상수는 면외 격자 상수보다 덜 변하는데, 이는 박막 성장 공정과 관련이 있습니다. 유사한 현상은 산소 결핍 BSO 박막에서도 발견됩니다[29]. Fig. 2b는 다양한 산소 압력의 박막에서 얻은 비대칭 (1̅03) 반사의 RSM 결과를 보여줍니다. SSNO 박막과 LAO 기판의 회절 스팟만 관찰됩니다. 박막과 기판 스팟 사이의 상당한 거리로 인해 박막이 거의 완전히 이완되어 있음을 명확히 볼 수 있습니다. 격자 부적합 값은 산소 압력이 20에서 1×10⁻³ Pa로 변함에 따라 7.04, 7.07, 7.12, 7.13, 7.15%로 평가됩니다. 한편 박막과 기판 스팟 사이의 더 큰 거리는 SSNO 박막의 격자 매개변수 확대를 의미합니다. 또한 산소 압력을 낮추면 SSNO 박막의 반사 스팟이 분산되고 강도가 약해지는데, 이는 앞서 언급한 XRD ω-로킹 커브 결과와 잘 일치합니다. 박막 또는 LAO 기판의 격자 상수 a, b, c는 Qx*와 Qy* 값(a=b=-λ/2Qx*, c=3λ/2Qy*)으로도 추정할 수 있습니다. RSM에서 계산된 격자 상수가 2θ-ω 선형 스캔 결과와 일치함을 확인했습니다. 0.2 Pa에서 다양한 기판 온도로 증착된 박막의 (1̅03) 면 RSM 결과도 Fig. S2에 보입니다. 박막 스팟이 거의 같은 위치에서 관찰되어 이 박막들의 격자 매개변수가 유사함을 나타냅니다.

Fig. 3은 780°C에서 성장한 다양한 산소 압력 박막의 화학 원소 원자가 상태를 조사하기 위해 XPS를 사용한 결과를 보여줍니다. 모든 결합 에너지는 C 1s 피크를 284.6 eV로 보정하여 교정했습니다. Fig. 3a는 모든 조사 시료에 대해 1.8 eV 피크 분리를 가진 Sr 3d 스펙트럼의 이중선을 보여줍니다. 135.05±0.10 eV와 133.25±0.10 eV의 결합 에너지는 각각 Sr 3d₃/₂와 Sr 3d₅/₂ 선에 할당되어 증착된 박막에 Sr²⁺ 이온이 있음을 나타냅니다[38]. Fig. 3b는 Sn 3d 상태의 XPS 데이터입니다. NIST 데이터베이스 기준 Sn 3d₅/₂의 Sn⁰, Sn²⁺, Sn⁴⁺ 상태 결합 에너지는 각각 약 485.0, 485.9, 486.6 eV에 위치합니다. 20, 5, 0.2 Pa에서 제조된 시료의 Sn 3d₃/₂와 3d₅/₂ 두 선은 494.68과 486.27 eV에서 스핀-궤도 분할 8.4 eV로 발견되어 이 박막들에 오직 Sn⁴⁺ 상태만 있음을 시사합니다. 그러나 산소 압력이 1×10⁻³ Pa로 감소하면 Sn 3d 피크가 약간 낮은 결합 에너지(494.59, 486.18 eV)로 이동하여 Sn⁴⁺에서 Sn²⁺로의 부분적 전환을 드러냅니다. 이 결과는 Sn²⁺ 이온 반지름(1.12 Å)이 Sn⁴⁺(0.69 Å)보다 커서 격자 확대에 촉진 효과를 주므로 시료의 격자 상수 유의미한 변화를 설명하는 데도 도움이 됩니다. Sn의 유사한 원자가 전이 현상은 Ta 도핑 SSO 박막[26]과 La 도핑 BSO 박막[39]에서도 관찰됩니다. Fig. 3c는 2.7 eV 분리된 Nb 3d₃/₂와 3d₅/₂ 전이에 해당하는 Nb 3d 스펙트럼 이중선을 보여줍니다. 0.2-20 Pa 시료에서 Nb 3d₃/₂와 3d₅/₂ 결합 에너지가 약 210.10, 207.40 eV에 나타나며 1×10⁻³ Pa에서 209.77, 207.07 eV로 감소합니다. 이 결과는 Nb 이온이 SSNO 박막에서 +5 상태임을 확인합니다[40-42]. 고진공에서 제조된 시료의 Nb 3d 신호 결합 에너지가 약간 감소하는 것은 Nb 이온 주변 화학 환경 변화 때문일 수 있습니다. Fig. 3d는 SSNO 박막의 비대칭 O 1s 신호를 설명합니다. 모든 데이터는 가우시안-로렌치안 함수로 세 개의 혼합 곡선으로 분할할 수 있습니다. 최저 결합 에너지 529.94±0.15 eV에 위치한 한 피크는 격자 산소에 해당하며, 더 높은 결합 에너지 531.48±0.15 eV와 532.50±0.15 eV의 다른 두 피크는 산소 공공 영역에 위치한 O²⁻ 이온과 느슨하게 결합된 산소에 각각 관련됩니다[29, 43]. 저, 중, 고 결합 에너지 피크 아래 적분 면적을 각각 OA, OB, OC로 표시합니다. 그러면 각 박막의 상대 산소 공공 농도는 [OB/(OA+OB)] 계산으로 정량화됩니다. Fig. 3d 데이터에서 이 비율 값은 산소 압력이 1×10⁻³에서 20 Pa로 증가함에 따라 47.5, 19.8, 16.0, 15.1%로, 산소 공공 농도가 SSNO 박막에서 산소 압력 낮아짐에 따라 점차 증가함을 시사합니다.

SSNO 박막의 수송 특성에 대한 산소 압력과 증착 온도 영향을 이해하기 위해 홀 효과 측정으로 상온에서 캐리어 농도(n), 홀 이동도(μ), 전기 저항률(ρ)을 결정했습니다(Fig. 4). 1×10⁻³ Pa 시료는 ~100 MΩ의 높은 저항률로 측정되었습니다(표시 안 함), 다른 박막들은 모두 n형 전도를 보였습니다. Fig. 4a에서 볼 수 있듯 캐리어 농도는 산소 압력이 20에서 0.2 Pa로 낮아짐에 따라 6.03×10¹⁹/cm³로 증가합니다. SSNO 박막에서 주요 전하 캐리어인 전자는 산소 공공과 Sn 자리가 Nb로 치환되어 이온화로부터 생성됩니다. Nb 농도는 XPS 측정에서 Nb 3d와 Sn 3d 피크 아래 면적을 비교하고 감도 인자로 보정하여 추정할 수 있습니다. Nb/(Sn+Nb) 원자 비율은 0.2, 5, 20 Pa에서 성장한 박막에 대해 각각 0.061, 0.064, 0.071로 계산되었습니다. 이 도펀트 농도 증가는 Gd 도핑 ZnO 박막에서도 발견됩니다[44]. 계산된 Nb 농도는 SSNO 박막의 공칭 도핑 함량보다 약간 큰데, 이는 반정량적 XPS 분석 때문일 수 있습니다. 한편 산소 압력이 0.2 Pa로 감소함에 따라 XPS 결과로 입증된 바와 같이 상대 산소 공공 농도가 점차 증가합니다. 따라서 증가된 산소 공공 수에 의한 더 많은 캐리어 기증과 도핑 농도 변동이 더 높은 캐리어 농도의 원인이 될 수 있습니다. 다양한 산소 압력에 따른 (002) 피크 위치 이동도 도펀트 농도 편차와 관련될 수 있습니다. 전자 이동도는 캐리어 농도와 같은 추세로 0.2 Pa에서 최대 3.31 cm²/V·s를 보입니다. 산소 압력 증가에 따른 이동도 감소는 페르미 레벨이 갭 중심으로 이동하여 전도대 가장자리 아래 산란 중심의 효과가 커지기 때문입니다[45]. ρ=1/neμ 관계(여기서 e는 전자 전하)를 고려하면, 0.2 Pa에서 관찰된 최저 상온 저항률 31.3 mΩ·cm는 이 증착 산소 압력에서 가장 큰 캐리어 농도와 전자 이동도의 결과입니다. 그러나 산소 압력이 0.03 Pa, 다시 1×10⁻³ Pa로 감소하면 SSNO 박막에 상당한 산소 결함이 생성되어 무질서 구조, 낮은 결정성(Fig. 1c 인셋 참조)을 가지며 전자 국소화를 촉진합니다[46]. 게다가 XPS 분석은 1×10⁻³ Pa 시료에서 Sn²⁺와 Sn⁴⁺의 전하 불균등화를 나타내며, 이는 캐리어 농도 증가를 추가로 차단하고 전기 전도도를 억제합니다[41]. 결과적으로 1×10⁻³ Pa 시료에서 수송 성능의 심각한 열화가 발생합니다. 유사한 변화 경향은 ZnO 박막[47]과 BSO 박막[48]에서도 관찰되었습니다. 또한 증착 산소 압력을 0.2 Pa로 고정한 채 기판 온도에 따른 박막 전도 성능 의존성을 Fig. 4b에 제시했습니다. 분명히 캐리어 밀도는 온도가 660에서 780°C로 증가함에 따라 초기에는 점차 증가하며, 780°C 증착 시료에서 최대값 6.03×10¹⁹/cm³을 달성합니다. 저항률은 캐리어 농도와 반대 경향을 보여 이 박막들의 전기 전도도가 캐리어 농도에 크게 좌우됨을 나타냅니다. 최저 상온 저항률 31.3 mΩ·cm는 780°C에서 얻었습니다. 홀 이동도도 저항률과 거의 같은 증착 온도 의존성을 보입니다. 따라서 SSNO 박막의 전도도도 기판 온도로 조절 가능함을 알 수 있습니다.

Fig. 5a, b는 30-300 K 온도 범위에서 다양한 조건으로 성장한 SSNO 박막의 온도 의존 저항률 곡선을 보여줍니다. 0.03 Pa에서 증착된 박막의 저항률은 온도 감소에 따라 증가(dρ/dT<0)하여 반도체 거동 특성을 보입니다. 전도 메커니즘을 이해하기 위해 온도 의존 저항률을 자세히 분석했습니다. Fig. 5a 하단 인셋에서 lnρ와 T⁻¹ᐟ⁴ 사이에 선형 관계가 존재하여 가변 범위 호핑이 주요 전도 메커니즘임을 시사합니다[49]. 0.2 Pa, 780°C 기판 온도에서 증착된 박막만 157 K에서 금속-반도체 전이(MST)를 보입니다. MST 온도 이상의 금속적 거동은 시스템에 도입된 높은 캐리어 밀도로 인한 축퇴 밴드 형성에 기인할 수 있으며, 저온에서의 반도체 거동은 무질서에 의한 전자 국소화로 설명될 수 있습니다[50, 51]. 유사한 MST 거동은 Ta 도핑 SSO[26]와 산소 결핍 BSO 박막[29]에서도 발견됩니다. 이 박막의 수송 메커니즘을 더 설명하기 위해 전자 페르미 파장 λF=[2π/(3π²n)¹ᐟ³]와 평균 자유 경로 l=(h/ρne²λF)가 비교 가능해질 때 무질서 물질의 전도도 모델을 사용할 수 있습니다[50, 52, 53]. 저온에서 λF와 l은 비교 가능해집니다. 따라서 반고전적 볼츠만 저항률 방정식을 고려하여 실험 데이터를 다음과 같은 관계로 피팅했습니다[54-56]:

ρ(T) = 1/(σ₀ + a₁T + a₂T¹ᐟ²) + bT² (1)

여기서 σ₀는 잔류 전도도, a₁T 항은 약한 국소화에 해당하고, a₂T¹ᐟ²는 3D 박막의 e⁻-e⁻ 상호작용을 설명합니다. bT² 항은 고온에서 산란 기여에 대한 확장 설명으로 포함했습니다. Fig. 5a의 실선 회색 선이 실험 데이터를 통해 방정식 (1)이 ρ(T)의 우수한 피팅 결과를 제공함을 보여줍니다. 피팅 결과 값은 σ₀=28.0 mΩ⁻¹cm⁻¹, a₁=-0.02 mΩ⁻¹cm⁻¹K⁻¹, a₂=0.65 mΩ⁻¹cm⁻¹K⁻¹ᐟ², b=9.19×10⁻⁹ mΩ·cm·K⁻²입니다. a₁이 a₂보다 훨씬 작으므로 저온에서 저항률 기여에 전자-전자 상호작용이 주로 책임이 있음을 결론지을 수 있습니다. 산소 압력이 5, 20 Pa로 증가하면 SSNO 박막의 저항률 값이 점차 증가하며 반도체 거동이 전체 측정 온도 범위에서 지배적입니다. Fig. 5a 상단 인셋에서 두 시료의 ρ-lnT 곡선이 잘 선형 관계를 보여 해당 메커니즘이 2차원 약한 국소화[57]임을 나타내며, 이는 본질적으로 시스템 결함에서 전도 전자의 양자 간섭에 의해 발생합니다. 일부 전자 전도 경로에서 비탄성 산란을 고려하면, 한 전자가 t=0에서 특정 지점에서 확산을 시작할 때 t

Fig. 6a, b는 각각 1×10⁻³-20 Pa 산소 압력과 660-820°C 기판 온도에서 증착된 SSNO 박막의 200-1800 nm 파장 범위 투과 스펙트럼을 보여줍니다. 다양한 산소 압력과 증착 온도의 박막 광학적 투명도는 기판이 일부 빛을 흡수할 수 있음에도 600-1800 nm 스펙트럼 범위에서 70% 이상입니다. 박막은 근적외선 영역까지 높은 투과율을 보여 태양전지 TCO 응용에 필요한 특성을 가지며, 이는 대부분의 TCO 박막에서 흡수로 인한 근적외선 영역 투과율 감소[20, 60]와 다릅니다. 또한 근자외선 영역에 기본 흡수 모서리를 가짐을 관찰했습니다. Fig. 6a에서 780°C 증착 박막의 흡수 모서리가 산소 압력 20에서 1×10⁻³ Pa로 감소함에 따라 짧은 파장 쪽으로 이동함을 인셋에서 더 명확히 볼 수 있습니다. 그러나 산소 압력을 0.2 Pa로 고정하면 다양한 기판 온도에서 성장한 박막의 흡수 모서리가 거의 중첩되어(Fig. 6b), 증착 온도가 SSNO 박막의 광학적 특성을 명백히 조절하지 않음을 나타냅니다. 박막의 밴드갭 Eg는 다음 식으로 추정할 수 있습니다:

(αhν)ⁿ = A(hν - Eg) (2)

여기서 α는 흡수 계수, hν는 광자 에너지, n=1/2(간접 밴드갭) 또는 2(직접 밴드갭), A는 전자-정공 이동도 관련 상수, Eg는 전도대 바닥과 원자가대 꼭대기 사이 분리입니다. 여기서 α는 α=(1/d)ln(1/T) 관계로 계산할 수 있으며, d는 박막 두께, T는 투과율입니다. Fig. 6c, d는 각각 780°C에서 증착된 서로 다른 산소 압력 시료에 대한 (αhν)¹ᐟ²와 (αhν)² 대 hν 플롯을 보여줍니다. 곡선의 선형 부분을 α=0으로 외삽하여 밴드갭을 얻을 수 있습니다. 중요하게, 밴드갭은 산소 압력 감소에 따라 간접 갭 4.35→4.90 eV, 직접 갭 4.82→5.29 eV로 증가하며 Fig. 6d 인셋에 기술되어 있습니다. 산소 압력이 20에서 0.2 Pa로 변함에 따라 캐리어 농도 증가로 인한 SSNO 박막 밴드갭 확대는 n형 반도체 전도대에서 페르미 레벨 상승과 관련되며, 이를 버스타인-모스 효과라 부릅니다[61, 62]. 전도대의 낮은 에너지 레벨이 전도 전자로 채워지면서 더 높은 에너지의 광자만 흡수될 수 있어 밴드갭이 확대됩니다[63]. 더 낮은 산소 압력에서 증착된 시료의 밴드갭 추가 증가는 이 박막에서 상당한 산소 공공 생성 때문입니다[35].

결론

요약하면, 다양한 산소 압력과 기판 온도에서 에피택셜 Nb 도핑 SrSnO₃ 박막을 PLD로 LAO(001) 기판 위에 제조했습니다. 고해상도 X선 회절(2θ-ω 스캔, φ 스캔, ω 스캔 로킹 커브, RSM 포함)로 박막 구조를 자세히 특성화했습니다. XPS 분석으로 Nb⁵⁺가 SSNO 박막에 존재함을 확인했습니다. 홀 효과 측정을 수행했으며 0.2 Pa, 780°C에서 증착된 시료가 최저 상온 저항률 31.3 mΩ·cm, 이동도 3.31 cm²/V·s, 캐리어 농도 6.03×10¹⁹/cm³를 가짐을 확인했습니다. 이 박막의 온도 의존 저항률은 금속-반도체 전이를 보이며 전자-전자 상호작용 기반으로 논의했습니다. 그러나 다른 조건에서 성장한 박막들은 모두 반도체 거동을 보이며 가변 범위 호핑이나 2차원 약한 국소화 모델로 분석 가능합니다. 박막의 높은 광학 투과율(600-1800 nm 파장 범위에서 70% 이상)을 관찰했습니다. 서로 다른 산소 압력의 박막에서 밴드갭 변화는 버스타인-모스 시프트와 산소 공공에 기인합니다. SSNO 박막은 산소 증착 압력만 변화시켜 절연체와 도체 사이를 유연하게 조절할 수 있습니다. 이러한 특성은 절연 유전체와 도전 전극으로 구성된 전계 효과 트랜지스터 및 기타 전자 소자에 활용될 수 있습니다.