论文标题：Determination of the Band Gap Energy of SnO₂ and ZnO Thin Films with Different Crystalline Qualities and Doping Levels

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-3978/6/1/3

期刊名：Electronic Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronicmat

研究背景

金属氧化物半导体材料因其优异的电学和光学性能，在气体传感器、发光二极管及太阳能电池等领域得到广泛应用。作为典型的n型半导体，SnO₂和ZnO不仅元素资源丰富且环境友好，因而备受关注。材料的带隙能量是决定其光学吸收和电子输运特性的关键参数，直接影响电子器件的性能表现。尽管已有多种方法用于测量这类材料的带隙，但因晶体质量和掺杂水平的差异，测定结果存在较大波动，尚缺乏统一的测量标准。本文通过系统制备和表征不同晶体质量及掺杂浓度的SnO₂和ZnO薄膜，深入探讨了带隙能量的测定方法及其对材料性能的影响，旨在为精确调控带隙能量提供理论指导和实验依据。

研究内容

本研究采用直流磁控溅射技术，在未加热的玻璃基板上制备SnO₂和ZnO薄膜，并在不同温度（250°C至450°C）氮气气氛中退火处理。通过X射线衍射（XRD）分析，发现SnO₂薄膜的结晶性仅在450°C退火后显著提升，且晶粒尺寸较小（约6纳米），而ZnO薄膜即使未加热也呈现六方晶系结构，且晶粒尺寸随退火温度升高由25纳米增至30纳米。载流子浓度的测定结果显示，退火温度提升至约350°C时，自由载流子浓度达到峰值，随后由于氧吸附及氧空位消灭作用而下降。ZnO样品对氧吸附更为敏感，载流子浓度变化幅度较SnO₂更大。结果表明，载流子浓度的变化主要受氧化还原过程影响，而晶粒尺寸对载流子浓度影响不显著，指示掺杂缺陷的形成与晶体质量无直接相关性。

光学测量方面，通过透射率和反射率数据计算吸收系数，采用多种表达式进行比较，发现不同计算方法在低能区吸收系数差异明显，进而影响带隙能量的准确测定。考虑多次内部反射的计算方法更为精确，故选用该法得出吸收系数。针对光学带隙的测定，结合理想晶体和非晶态半导体模型，分别采用Tauc方法和基于跃迁矩阵元的半经典模型进行分析。结果显示，非晶态材料的Tauc能量普遍低于直接跃迁带隙，且两种材料中E_dir与E_Tauc的差值约为0.45±0.05 eV。随着载流子浓度增加，带隙出现Burstein-Moss效应导致的宽化，同时带隙重正化效应对其有一定抵消作用。通过拟合吸收边缘的S形函数，获得了统一表征带隙能量的方法，Edop与Edir值高度吻合，表明该方法适用于重掺杂半导体。

结合载流子浓度与带隙能量的关系，研究揭示了不同有效质量对Burstein-Moss位移的影响。SnO₂材料的实验数据与有效质量为0.3倍电子质量的模型拟合良好，未掺杂带隙能量约为3.45 eV；ZnO样品最佳拟合有效质量约为0.5倍电子质量，对应未掺杂带隙为3.30 eV。各种带隙测定方法均能反映载流子浓度变化对光学跃迁能的影响，但Tauc方法低估了未掺杂状态下的带隙能量。总体来看，E_dir和E_dop为评估不同载流子浓度下带隙能量的更合理指标，能够揭示带隙的非抛物线性特征。

图10. 从不同的近似值获得的ZnO能隙随载流子浓度（ne）的变化：(a) Edir, Edop, EBoltz；(b) ETauc。实线表示两个不同有效质量值的预期变化（E_BM−E_BGR）。

研究总结

本文系统制备了不同晶粒尺寸和掺杂水平的SnO₂与ZnO薄膜，结合结构、光学及电学多方位表征，深入分析了带隙能量的测定方法及其相关物理机制。研究结果表明，载流子浓度的变化对带隙能量具有显著影响，主要表现为Burstein-Moss位移与带隙重正化效应之间的相互竞争，而晶体质量对带隙能量的影响相对较小。针对非晶态及多晶薄膜，传统Tauc方法往往低估带隙能量，尽管统一方法能够较好拟合实验数据，但存在一定的高估风险。综合考虑各项因素，基于半经典模型的Edir和Edop方法更准确地反映了材料的光学跃迁特性及载流子浓度效应，同时为评估非抛物线性带边结构提供了理论支持。本研究为优化金属氧化物半导体薄膜的光电性能及其在电子器件中的应用奠定了坚实基础，推动了带隙能量测定方法的标准化与精细化进程。

Electronic Materials期刊介绍

主编：Prof. Dr. Wojciech Pisula

1. Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Germany

2. Department of Molecular Physics, Faculty of Chemistry, Lodz University of Technology, Zeromskiego 116, 90-924 Lodz, Poland

Electronic Materials（ISSN 2673-3978）是一本开放获取期刊，发表与电子材料相关的科学研究和技术发展。本刊为电子材料基础科学、工程和实际应用方面的综述、文章和简讯提供发表平台。