利用XPS和UPS/LEIPS表征透明导电氧化物（TCO）薄膜

PHICHINA

2023/03/09 09:53

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概述

透明导电氧化物Transparent Conductive Oxide（TCO）是一种具有导电功能，且在可见光范围内透光性高的氧化物薄膜。TCO薄膜因具备吸收紫外光、反射红外光、可见光高透过性等特征，所以被广泛应用于触摸屏、LED显示屏和太阳能电池等领域。

从20世纪初至今，已有多种TCO薄膜被研发问世，例如In₂O₃基、SnO₂基等氧化物薄膜以及ITO（Indium Tin Oxide，掺锡氧化铟）和IZO（氧化铟锌）等掺杂氧化物薄膜。其中，ITO薄膜应用最为广泛。ITO薄膜是现有的TCO薄膜中导电性能最好的产品之一，且具有加工性能极好、硬度高、耐磨耐蚀性强的优点，因而ITO薄膜在现代高科技中起着重要作用。

TOC薄膜的性能与其结构、组分、化学态以及电子结构等因素是密切相关的。表面分析技术可以对材料性质进行深入分析，例如可以借助X射线光电子能谱仪（XPS），获取产品表面的元素组分和元素含量以及化学态等信息；通过紫外光电子能谱(UPS)和低能量反光电子能谱(LEIPS)可以得到产品完整的能带电子结构。总之，利用XPS、UPS和LEIPS，再结合离子剥离技术（Ar离子枪、GCIB/C60团簇离子枪等）能全面完成产品表面以及深度方向上组分以及电子结构的表征，对于深入理解TOC薄膜特性以及指导工艺提升起到重要的作用。

图1. TCO的特性及应用

应用

高度透明的掺氢氧化铟In₂O₃ :H (IO:H)具有超低的近红外光损耗和高电荷载流子迁移率，当替代ITO时，可以让半透明顶部和NBG（HTL-free）底部钙钛矿太阳能电池的光电流显著增加。然而，IO:H作为ITO的替代材料，在红外光区的吸收率更低的机理并不明确。为究其原因，分别在玻璃基底上制备了厚度为100 nm的ITO和IO:H薄膜，并对其进行了XPS、UPS和LEIPS表征：

ITO样品：In₂O₃:SnO₂=90 wt% : 10 wt%

IO:H样品：In₂O₃中加入H

首先，为探索样品的元素组成和相应含量，对样品进行了XPS表征，结果如图2所示。O 1s的XPS谱图分析结果表明IO:H与ITO样品的氧组分主要由金属氧化物（M-O）和氧空位（Vo）组成，且IO:H的氧空位含量更低。

图2. O 1s XPS谱（左）；

氧空位（Vo）含量：IO:H

其次，为研究样品的导电性和吸光性，利用UPS和LEIPS全面地表征了样品相对于真空能级的能带电子结构（见图3）。结果显示这两种薄膜的费米能级、带隙以及电子亲和势都没有明显差异。但是，从放大的费米能级附近的谱图（图4）中发现，IO:H的费米能级附近的电子态密度较低，这种电子态密度的差异极有可能是造成二者红外光吸收率差异的原因。

图3. UPS/LEIPS结合绘制的ITO和IO:H薄膜的能级排列图（能量相对于Evac）

图4. 放大的费米能级附近的UPS/LEIPS谱图

结论

XPS结合UPS和LEIPS可以对TCO进行全面的表征。首先，通过XPS发现样品IO:H的氧空位量较少。其次，利用UPS和LEIPS可以得到样品的完整且精准的能带电子结构，实验结果表明IO:H的费米能级附近的电子态密度也较低，这可能是造成红外光吸收率差异的主要因素。综上，PHI XPS可实现对TCO薄膜的原位综合分析，快速评估样品性能，从而辅助科研人员深入研究TCO薄膜。

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