哈尔滨工业大学朱嘉琦团队PSS RRL：空穴有效质量和载流子浓度对P型LaCuOS薄膜宽波段透明和导电性能的影响

创新点：团队提供了一种通过高载流子浓度耦合小载流子有效质量实现P型LaCuOS薄膜高导电性能的方法，为具有优异电学性能P型透明导电材料的研发提供了一种材料设计策略。同时，也为宽波段透明导电材料的研发提供了一种候选材料，在宽波段透明光电子材料及器件领域具有较为广阔的应用前景。

关键词：宽带隙透明半导体，LaCuOS，载流子浓度，空穴有效质量，密度泛函理论

随着先进透明电子工业的发展，对宽带隙透明半导体的需求日益迫切。传统的实验观察中可以发现透明半导体材料存在高导电性的同时，会增大对光的吸收和散射作用，严重影响薄膜的透过范围，无法实现高导电性和宽波段透明特性的兼容。

最近，哈尔滨工业大学朱嘉琦教授团队，使用墨水法制备了P型LaCuOS粉末和薄膜（图1），薄膜在可见光(380nm-750nm)和中红外(3μm -5μm)范围内均可实现高透过率，分别达到60%以上和65%以上（图2）。电学性能方面，载流子浓度大于10¹⁸cm^-3，电导率(σ)可达5 S/cm，均高于大多数P型透明半导体，显示出了LaCuOS在从可见光至中红外宽波段范围内作为光电子材料的巨大应用潜力。

通过结合第一性原理计算，揭示了LaCuOS薄膜具有优异电学性能的机制。电导率是透明半导体最重要的参数之一，其表达式为：

式中，N、τ和m*分别为LaCuOS薄膜的载流子浓度、载流子弛豫时间和空穴有效质量。传统P型透明半导体的电学性能较差是由于较低(大多低于10¹⁸cm^-3)，较大(大多大于3,为电子有效质量)。而LaCuOS薄膜的电学性能大于10¹⁸cm^-3。同时通过第一性原理根据密度泛函理论，获得了LaCuOS薄膜空穴有效质量。由于LaCuOS是由空穴传输层[La₂O₂]²⁺和空穴形成层[Cu₂S₂]^2-沿c轴交替叠加而成，主要导电方向沿C轴，而空穴有效质量沿c轴方向约为2.40（图2），小于典型的p型透明半导体（3）。在高载流子浓度和小空穴有效质量的耦合作用下，使得LaCuOS薄膜具有优异的导电特性。

朱嘉琦教授是长江学者特聘教授、国家“万人计划”领军人才、国家杰出青年基金获得者，其团队长期致力于光电功能薄膜、晶体及器件，以及空天飞行器防护的相关研究工作，本项成果为突破现有P型材料电学性能差的瓶颈提供了可行的材料设计方法，同时也为突破透明导电红外光学与电学性能的兼容提供了解决思路。哈尔滨工业大学博士研究生高岗为本文的第一作者，朱嘉琦教授为该文的通讯作者。