近期，中国科学院固体物理研究所功能材料研究室在基于关联电子材料的p型透明导电薄膜研究取得进展，相关研究成果发表在Physical Review Applied (Phys. Rev. Appl. 12, 044035 (2019))上，并被选为编辑推荐 (Editors’suggestion)论文。江苏科技大学赵明琳博士与安徽大学何刚教授参与了研究工作。
透明导电氧化物(Transparent conducting oxides，TCO)薄膜是一类集光学透明和导电性于一体的重要功能材料。目前已经广泛用作平板显示器、太阳能电池、触摸屏和发光二极管等光电子器件的透明电极。TCO材料根据导电载流子类型分为n型即电子导电型和p型即空穴导电型。n型和p型的TCO薄膜相结合还可构建出透明二极管和透明场效应管等器件，从而极大拓展TCO材料的应用领域并诞生新型光电子器件。然而，当前实际应用的TCO材料均为n型，高性能p型材料的缺乏严重制约了TCO材料的应用。究其原因在于金属氧化物本身的电子结构所引起: 金属氧化物中的金属原子与氧原子以离子键结合，价带由强局域化的O 2p轨道构成，导致金属氧化物空穴有效质量大、空穴迁移率低和空穴掺杂性差。因此，如何调整金属氧化物的价带来削弱其局域化效应是获得高性能p型TCO的关键因素。
为此，研究人员从材料电子结构的角度出发，提出了在关联氧化物中利用由电子间库仑相互作用所导致的电子关联来探索高性能p型TCO的思路：一方面，电子关联将导致其价带由过渡金属离子的d轨道组成或者与O 2p轨道杂化组成，保证了材料的p型导电性；另一方面，由电子关联导致的载流子有效质量的增大将有利于在可见光区打开透明窗口。因此，电子关联可以作为探索高性能p型TCO材料的关键参数。基于上述想法，研究人员发现在电子关联强度较小的V2O3薄膜中可实现p型导电性和光学透明性的良好平衡。不同厚度的V2O3薄膜在保持良好导电性(400-2122 S cm-1)的同时具有较高的可见光区透过率(40%-78%)，其透明窗口为0.97-3.6 eV。上述结果表明：关联氧化物中电子关联强度的调节是探索高性能p型TCO材料的有效途径。
该工作得到国家自然科学基金和科技部重点研发项目的支持。
文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.044035
图. 典型p型TCO薄膜的透明导电性能对比。
