Окисел индия In2О3 имеет кристаллическую структуру типа bсс с постоянной решетки 10,118 А [27] и представляет собой вырожденный примесный полупроводник n-типа. При оптических измерениях на кристаллах In2О3 обнаружены начало прямых переходов с энергией 3,75 эВ, а также непрямой запрещенный переход с энергией 2,619 эВ [ 43]. По результатам измерений на тонких пленках для ширины запрещенной зоны приводится значение 3,65 эВ [44]. Авторы работы [45] объясняют полученные ими данные по оптическому поглощению в тонких слоях In2О3, наличием прямых разрешенных (с энергией 3,55 эВ) и непрямых запрещенных (с энергией 2,4 эВ) переходов. Сообщается [46], что подвижность электронов в In2О3, легированном оловом, равна 75 см2/(В·с) при концентрации 1020 см-3. Более высокая подвижность, равная 120 и 170 см2/(В · с), обнаружена в материале с добавками титана и циркония соответственно. В этих опытах пленки получали методом пиролитического осаждения [46]. Самую высокую прозрачность и электропроводность имеют пленки In2О3, легированные оловом. При легировании оловом можно получить концентрацию свободных электронов 1021 см-3, которая соответствует плазменному резонансу в ближней инфракрасной области спектра. Оптические и электрические свойства легированных оловом пленок In2О3, полученных методом пульверизации, исследованы авторами работы [47].
Рис. 1.5.1. Спектральные распределения отражательной R и пропускательной Т способностей двух пленок In2О3, легированных оловом [47].
Толщина обеих планок 0,3 мкм;--------- содержание олова 2 %,
N - 0,3 ·1021 см-3;------------------------------------- содержание олова 8%, N - 1,3-1021 см-3
С увеличением содержания олова концентрация свободных электронов возрастает до максимального значения. Пленки служат оптическими фильтрами, пропускающими видимое и отражающими инфракрасное излучение. Такие фильтры применяются в натриевых лампах низкого давления для уменьшения потерь энергии вследствие излучения и, следовательно, увеличивают эффективность [48]. Спектральная селективность свойств легированных оловом пленок In2O3 делает их весьма подходящими для использования в качестве селективных поверхностей, пропускающих видимое излучение и отражающих инфракрасное.
На рис. 1.5.1 показаны спектральные распределения отражательной и пропускательной способностей двух легированных оловом пленок In2О3, полученных методом пиролитического осаждения. Пленки имеют одинаковую толщину (0,3 мкм), но разную концентрацию свободных электронов [ 47]. Поскольку край полосы плазменного отражения смещается в зависимости от концентрации носителей заряда, можно добиться, чтобы легированный оловом In2О3 обладал свойствами идеального теплоотражающего покрытия (рис. 1.5.2).
Процесс получения слоев In2О3 при использовании в качестве исходного материала индия описан в недавно опубликованной работе [45].
Рис. 1.5.2. Распределение энергии излучения черного тела в относительных единицах.
1 - при температуре 5800 К (распределение энергии солнечного излучения в условиях AM 0); 2 — при температуре 750 К;
отражательная способность идеальной теплоотражающей поверхности.
Тонкослойные образцы изготовляют методом пиролиза, при котором аэрозольный поток, представляющий собой распыленный раствор InС13 в бутилацетате (293,3 г InСl3· 4Н2О на 1 л. бутилацетата), наносится на нагретую стеклянную подложку. При этом применяется пульверизатор с расходом 300 мд/мин. Пленки In2О8, имеющие хорошее сцепление со стеклянной подложкой, образуются в окислительной атмосфере при температуре 500°С. Установка для распыления показана на рис. 1.5.3. На рис. 1.5.3, б показана муфельная печь для пульверизационного осаждения. Кварцевый муфель имеет длину 24,2 см и диаметр 6 см вверху и 3,5 см у дна. Печь нагревает стекло, лежащее на верхнем торце кварцевого стержня, до температуры 600° С. Кварцевый стержень устанавливается в требуемом положении с помощью противовеса и алюминиевой планки. На рис. 1.5.3, а показан пульверизатор, который насаживается на верхнюю часть муфеля (позиция А). Для изменения содержания олова в пленках в распыляемый раствор добавляли в различных количествах SnCl4. 5НаО [49]. Исследовалось влияние добавки олова до 50 мол. % на свойства селективных покрытий из In2О8, полученных методом пиролиза. Установлено, что при добавке олова до 10 % концентрация носителей заряда растет, что сопровождается падением электрического сопротивления пленок. Дальнейшее легирование уменьшает концентрацию носителей заряда и соответственно увеличивает сопротивление (рис. 1.5.4). При добавлении олова уменьшается постоянная решетки и падение сопротивления происходит вследствие замены ионов In+8 ионами Sn+4. Рост сопротивления при дальнейшем увеличении содержания олова обусловлен нарушением кристаллической структуры.
Рис. 1.5.3. Установка для нанесения пленки In2О3 методом пульверизации [45].
1 - кварцевая труба; 2 - печь; 3 - нагреватель; 4 - изоляция; 5 — кварцевый стержень; 6 — алюминиевая планка; 7 — противовес.
Все размеры даны в сантиметрах.
Рис. 1.5.4. Удельное сопротивление г пленки In2O3 в зависимости от содержания Sn [49]
Температура подложки: 1 — ~500°С; 2------------- 600°С.
Рис. 1.5.5. Спектральное распределение отражательной способности R легированных оловом пленок In2O3, полученных распылением с применением постоянного тока [52].
В ряде работ [50 - 54] рассматриваются свойства таких пленок, полученных методом распыления. Фрэзер и Кук [52] получали пленки In2О3 с добавкой 9 мол. % SnO2 в чистом аргоне, применяя постоянный ток. Они установили, что с увеличением температуры подложки сопротивление осажденной пленки падает. Максимальная величина электрической проводимости, равная 5600 Ом-1· см-1, получена при температуре подложки 500° С. Среднее значение пропускательной способности пленок с поверхностным сопротивлением 2-3 Ом/квадрат составляет 80 %. Эти пленки оказались хорошими отражателями инфракрасного излучения (отражательная способность ≈90%) в диапазоне длин волн 2,5 - 15 мкм. Спектральное распределение отражательной способности пленок In2О3 с добавкой олова, полученных распылением с применением постоянного тока, показано на рис. 1.5.5.
В работе [50] описан процесс получения пленок In2О3, легированных оловом, методом высокочастотного распыления. Электрическое сопротивление этих пленок равно 2·10-4 Ом · см, а отражательная способность в окрестности длины волны 10 мкм составляет 93%. При концентрации свободных носителей заряда 7 · 1020 см-3 электроны имеют подвижность ≈40 см2/(В·с). Показатель преломления равен 2 при λ=5500 X. С помощью специальной тепловой обработки его значение можно увеличить до 2,5 [54].
В устройствах, преобразующих солнечную энергию, пленки необходимо осаждать на подложки больших площадей, и в этом случае для их приготовления можно применять метод химического осаждения из паровой фазы. Однако, чтобы получить пленки с хорошей прозрачностью, высоким отражением в инфракрасной области спектра и малым поверхностным сопротивлением, следует наносить их методами распыления.
