超薄氧化铟薄膜的电子输运性质研究

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1、超薄氧化铟薄膜的电子输运性质研究ElectricalTransportPropertiesofUltrathinIn2O3Films专业：材料物理与化学作者姓名：蒋庆昆指导教师：李志青教授天津大学理学院2016年5月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使

2、用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要In2O3作为透明导电材料，具有较宽的禁带宽度、较小的电阻率和较高的催化活性，被广泛应用在光电子、气体传感器和催化剂领域，另外无掺杂In2O3因外延膜具有较高的电子迁移率，可望在场效应晶体管方面得到应用。随着In2O3的应

3、用范围的不断拓展，对超薄In2O3薄膜的需求也在不断增加。因此有必要对超薄In2O3薄膜的电子输运性质随薄膜厚度的变化进行系统研究。我们采用磁控溅射的方法在钇掺杂氧化锆（YSZ）基底上制备了厚度从约4nm变化到45nm的In2O3薄膜，并系统地研究了其电输运性质和结构性质。X射线衍射测量表明当薄膜厚度大于等于17.0nm时，薄膜具有外延特性。但是，扫描电子显微镜测量发现颗粒之间存在明显的晶界，说明薄膜具有类似于介晶的结构。厚度大于等于11.5nm的薄膜表现出金属导电特性，电子-电子相互作用和弱局域效应主导着低温的电阻变化行为。同时我们发现由于In2O3薄膜电子屏蔽因

4、子接近于零，这可能与薄膜具有较低的载流子浓度相关。对于更薄的6.3nm和3.7nm的样品，在2K-300K的温度范围内，电阻率随温度的降低而升高，表现出绝缘体行为，并且二维Mott变程跳跃导电和Efros-Shklovskii变程跳跃导电主导着低温电输运行为，变程跳跃导电的交叉转换温度约为20K。而对于退火后的6.3nm和3.7nm的样品，在整个变程跳跃导电的温度范围内完全定量地符合二维Mott和ES变程跳跃导电理论。我们不同温度（300到550℃）下，在YSZ基底上制备了厚度约为40nm的In2O3薄膜。X射线衍射测量发现所有In2O3薄膜展现出外延特性和良好的结

5、晶性，具有类介晶结构。但是制备温度达到550℃时，颗粒尺寸明显增大，并且颗粒形状由棒状变为方形和椭圆形。对于制备温度低于450℃的薄膜，其导电性由于空气中氧气对氧空位的填补作用而变差，是一种不稳定的导电性质。在高于450℃条件下制备的In2O3薄膜都呈现金属导电特性，低温的电输运性质由电子-电子相互作用以及弱局域效应主导。通过磁电阻测量，我们发现In2O3薄膜的弱局域效应是二维的，退相干过程同时包含小能量和大能量转移电子-电子散射过程，另外对于制备温度为550℃的In2O3薄膜2K时的退相干长度能达到350nm，比其他温度制备的样品高了将近100nm，这种退相干长度

6、的增加主要源于薄膜结构的变化。关键词：电子输运性质变程跳跃导电退相干机制ABSTRACTIndiumoxide(In2O3),asatransparentconductivematerial,haswidebanggap,lowresistivity,andhighcatalyticactivityandiswidelyusedinopticalelectronicsdevices,gassensorandcatalyzer.Inaddtion,thediscoveryofhighmobilityinundoedepitaxialIn2O3,openuptheapp

7、licationinfieldoffilmtransistor.AstheapplicationofIn2O3filmsarecontinuallyexpandedandthedemandforultrathinIn2O3filmsisprogressivelyincreasing.Inthisway,itisnecessarytoresearchsystematicallytheelectricaltransportpropertiesofultrathinfilmswiththickness.WehavepreparedIn2O3filmsbyrf-magn