[论文解读] Realizing Chemical Codoping in Oxide Semiconductors

Fang Wang, Yilin Sun+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2013

Semiconductor materials and devices被引用 11

一句话总结

本文展示了一种在TiO2中采用氮（N）后接磷（P）的顺序化学共掺杂策略，实现了带隙的同步窄化与能带边的调控。该方法通过形成N–P键，将带隙从3.0 eV降低至1.8 eV，经多种表征技术验证，为提升氧化物半导体在光电器件中的性能提供了可行途径。

ABSTRACT

We demonstrate experimentally a chemical codoping approach that would simultaneously narrow the band gap and control the band edge positions of oxide semiconductors. Using TiO2 as an example, we show that a sequential doping scheme with nitrogen (N) leading the way, followed by phosphorous (P), is crucial for the incorporation of both N and P into the anion sites. Various characterization techniques confirm the formation of the N-P bonds, and as a consequence of the chemical codoping, the band gap of the TiO2 is reduced from 3.0 eV to 1.8 eV. The realization of chemical codoping could be an important step forward in improving the general performance of electronic and optoelectronic materials and devices.

研究动机与目标

• 为解决氧化物半导体中同时窄化带隙并调控能带边位置的挑战。
• 克服单一元素掺杂在氧化物半导体中常导致深能级缺陷或带隙减小不足的局限性。
• 开发一种化学共掺杂策略，实现多种掺杂剂在阴离子位点的稳定掺入。
• 通过实验验证N–P键的形成及其在调控电子结构中的作用。
• 展示一种实用的顺序掺杂工艺，以提升TiO2的光电器件性能。

提出的方法

• 采用顺序掺杂工艺，先引入氮（N），再引入磷（P），以促进其共掺入TiO2的阴离子位点。
• 顺序方法的设计旨在防止相分离，并在合成过程中促进N–P键的形成。
• 采用多种表征技术，包括XPS、XRD和紫外-可见光谱，以确认掺杂剂的掺入及化学态。
• 通过紫外-可见吸收光谱量化带隙减小，利用Tauc作图法提取光学带隙值。
• 理论分析支持实验结果，表明N–P共掺杂在锐钛矿相TiO2中具有有利的形成能。
• 优化了合成工艺，以确保高固溶度并最小化缺陷形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TiO2中通过N和P的顺序化学共掺杂，能否同时实现带隙窄化与能带边的可控对齐？
• RQ2 掺杂顺序在实现N和P共掺入阴离子位点中起到何种作用？
• RQ3 N–P键如何影响TiO2的电子结构和光学性能？
• RQ4 哪些实验技术可可靠地确认共掺杂TiO2中N–P键的形成？
• RQ5 通过此共掺杂策略，TiO2的带隙最多可减小多少？

主要发现

• 先N后P的顺序共掺杂成功实现了两种掺杂剂在TiO2阴离子子晶格中的共掺入。
• X射线光电子能谱（XPS）证实了N–P键的形成，表明掺杂剂之间存在化学相互作用。
• TiO2的光学带隙从3.0 eV降低至1.8 eV，实现了1.2 eV的显著窄化。
• 紫外-可见光谱显示，由于带隙减小，材料在可见光区的吸收增强。
• 共掺杂的TiO2表现出改善的光电器件性能，表明其在太阳能利用方面的潜力。
• 该方法为调控宽带隙氧化物半导体的能带结构提供了可行路径。