Исследование зонной структуры тонких In2O3 пленок с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и первопринципных расчетов в рамках пакета vasp Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

УДК 538.915

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОННОЙ СТРУКТУРЫ ТОНКИХ I^O3 ПЛЕНОК С ПОМОЩЬЮ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ И ПЕРВОПРИНЦИПНЫХ РАСЧЕТОВ В РАМКАХ ПАКЕТА VASP

И. А. Тамбасов1*, В. С. Жандун1,2, Ю. Л. Михлин3, В. Г. Мягков1, Е. В. Тамбасова2

1Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, Красноярск, Академгородок 50, стр. 38 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3Институт химии и химической технологии СО РАН Российская Федерация, 660036, Красноярск, Академгородок 50, стр. 24 E-mail: tambasov_igor@mail.ru

Представлено исследование зонной структуры пленок оксида индия с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и первопринципных расчетов в рамках пакета VASP. Исследования проведены для диэлектрических и проводящих пленок оксида индия, полученных с помощью реактивного магнетронного напыления.

Ключевые слова: оксид индия, тонкие пленки, реактивное магнетронное напыление.

BAND STRUCTURE INVESTIGATION OF THIN In2O3 FILMS BY X-RAY PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY AND AB INITIO CALCULATIONS IN VASP

I. A. Tambasov1*, V. S. Zhandun1, 2, Y. L. Mikhlin3, V. G.Myagkov1, E. V. Tambasova3

1Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 3Institute of Chemistry and Chemical Technology SB RAS 50/24, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: tambasov_igor@mail.ru

This paper presents a study of the band structure of thin indium oxide films using X-ray photoelectron spectroscopy and ab initio calculations within the VASP package. Studies carried out for the dielectric and conductive films of indium oxide obtained by reactive magnetron sputtering.

Keywords: indium oxide, thin films, reactive magnetron sputtering.

Прозрачные проводящие оксиды в настоящее время интенсивно исследуются и широко используются в различных приложениях оптоэлектроники. Это связано с тем, что прозрачные проводящие оксиды одновременно обладают высокой прозрачностью в видимом диапазоне и достаточно хорошо проводят электрический ток.

Одними из самых используемых прозрачными проводящими оксидами являются оксид индия и легированый оловом оксид индия. Тонкие In2O3 пленки используются в газовой сенсорике, тонкопленочных прозрачных транзисторах, тонких дисплеях, электрохромных устройствах и солнечных батареях космических аппаратов Г1—31.

В ряде работ было показано, что при ультрафиолетовом облучении пленок оксида индия их оптические и электрические свойства существенно изменяются [4; 5]. Одно из предположений - это увеличение кислородных вакансий за счет ультрафиолетового облучения. В таком случае, если происходит изменение кислородных вакансий, должна изменяться зонная структура оксида индия.

Поэтому целью настоящей работы является экспериментальное и теоретическое исследование зонной структуры пленок оксида индия в условиях стехиометрии и не стехиометрии по кислороду.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

Диэлектрические и проводящие тонкие 1п20з пленки были получены при помощи реактивного магнетронного напыления в режиме импульсного постоянного тока. Диэлектрические пленки оксида индия имеют стехиометрии по кислороду. С другой стороны, проводящие пленки оксида индия имеют не стехиометрию по кислороду.

Элементный состав и спектры остовных уровней и валентной зоны пленок оксида индия были исследованы с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на спектрометре SPECS с использованием монохроматизированного излучения Al Ka. Первопринципные расчеты в рамках пакета VASP были использованы для теоретического исследования зонной структуры оксида индия с 0, 1, 3, 5, 10, 15 и 20 кислородными вакансиями.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показала, в частности, различия между распределением плотности состояний в валентной зоне диэлектрических и проводящих пленок оксида индия. Плотности состояний электронов в валентной зоне оксида индия, полученная с помощью перво-принципных расчетов, хорошо согласуется с плотностью состояний оксида индия, полученных с помощью реактивного магнетронного напыления. Кроме этого, первопринципные расчеты показали, что при увеличение кислородных вакансий запрещённая зона существенно сужается. Таким образом, начиная с 5 кислородных вакансий, оксид индия имеет схожую с металлом зонную структуру. Переход на металлическую зонную структуру приводит к резкому изменению оптических свойств оксида индия. В частности, резко увеличивается коэффициент поглощения в видимой области.

В заключение, плотность состояний электронов в валентной зоне оксида индия, полученная с помощью первопринципных расчетов, хорошо согласуются с плотностью состояний электронов пленок оксида индия, полученных с помощью реактивного магнетронного напыления

Данное исследование было поддержано Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 16-32-00302 мол_а, № 15-02-00948-A, № 16-03-00069-A), Советом по грантам Президента Российской Федерации (СП-317.2015.1) и программой Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (№ 6662ГУ2015) (У.М.Н.И.К.).

Библиографические ссылки

1. Granqvist C. G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2007. T. 91, № 17. C. 1529-1598.

2. Bogorad A., Bowman C., Herschitz R., Krummann W., Hart W. Differential charging control on solar-arrays for geosynchronous spacecraft // Ieee Transactions on Nuclear Science. 1993. T. 40, № 6. C.1542-1546.

3. Ciofalo M. R., Brady M. E., Panetta C. J., Meshishnek M. J. Low-Energy Electron Exposure of Space Materials // J. of Spacecraft and Rockets. 2011. T. 48, № 6. C. 931-941.

4. Tambasov I. A., Myagkov V. G., Ivanenko A. A., Bykova L. E., Yozhikova E. V., Maksimov I. A., Ivanov V. V. Effect of exposure to optical radiation and temperature on the electrical and optical properties of In203 films produced by autowave oxidation // Semiconductors. 2014. T. 48, № 2. C. 207-211.

5. Tambasov I. A., Maygkov V. G., Tarasov A. S., Ivanenko A. A., Bykova L. E., Nemtsev I. V., Eremin E. V., Yozhikova E. V. Reversible UV induced metal-semiconductor transition in In203 thin films prepared by autowave oxidation // Semiconductor Science and Technology. 2014. T. 29, № 8.

© Тамбасов И. А., Жандун В. С., Михлин Ю. Л., Мягков В. Г., Тамбасова Е. В., 2016