THE EFFECT OF SB DOPING ON CRYSTAL STRUCTURE AND THE Sn4⁺ → Sb5⁺ SUBSTITUTION MODEL WITH OXYGEN DEFECT FORMATION

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Transparent conducting oxides (TCOs) are key functional materials for modern optoelectronic devices, including touch screens, solar cells, and light-emitting diodes. Antimony-doped tin dioxide (SnO2:Sb) is of particular interest as an alternative to the more expensive indium tin oxide (ITO) due to its high thermal and chemical stability, as well as the availability of raw materials. However, the mechanisms of Sb incorporation into the SnO2 crystal lattice and its influence on electrical and optical properties remain insufficiently studied. The objective of this research is a theoretical and experimental investigation of the substitution processes of tin atoms with antimony atoms in different oxidation states (Sb3⁺ and Sb5⁺) and the determination of optimal synthesis conditions for producing TCOs with improved characteristics. Materials and methods. Thin SnO2:Sb films were deposited using spray pyrolysis from precursor solutions of SnCl4·5H2O and SbCl3 in a mixture of ethanol and deionized water at a substrate temperature of 450 °C. The antimony concentration was varied from 0 to 10 at. %. To improve crystallinity and activate dopants, the samples were thermally annealed at 600 °C for 1 hour. The structural, electrical, and optical properties of the films were studied using a comprehensive set of advanced techniques, including surface resistance, charge carrier mobility and concentration, as well as transmission, refraction, and absorption coefficients. Results. It was found that at an optimal antimony concentration (3–5 at. %) and properly selected synthesis conditions, Sn4⁺ is predominantly substituted by Sb5⁺, leading to donor doping and a significant improvement in conductivity while maintaining high transparency in the visible range (80–90 %). At Sb concentrations above 5 at. %, the formation of compensating defects and phase segregation was observed, resulting in degraded electrical properties. Thermal annealing enhanced crystallinity, reduced defect concentration, and activated Sb dopants, leading to a decrease in resistivity from 10⁻2–10⁻3 Ω·cm to 10⁻3–10⁻4 Ω·cm. Conclusion. This study established fundamental mechanisms of antimony incorporation into the SnO2 crystal lattice and optimized spray pyrolysis synthesis parameters for producing high-quality SnO2:Sb-based TCOs. The developed material exhibits a combination of high transparency, good conductivity, and thermal stability, making it promising for various optoelectronic applications, including solar cells and touch screens. The use of cost-effective and environmentally friendly materials promotes sustainable technological development and reduces reliance on rare and expensive elements.

About the authors

Timur O. Zinchenko

Penza State University

Author for correspondence.
Email: scar0243@gmail.com

Candidate of technical sciences, senior lecturer of the sub-department of information and measuring equipment and metrology

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Ekaterina A. Pecherskaya

Penza State University

Email: pea1@list.ru

Doctor of technical sciences, professor, head of the sub-department of information and measuring equipment and metrology

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Ulyana S. Chikhrina

Penza State University

Email: chikhulyana@yandex.ru

Student

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Vladimir S. Aleksandrov

Penza State University

Email: vsalexrus@gmail.com

Master degree student

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Dmitry V. Artamonov

Penza State University

Email: dmitrartamon@yandex.ru

Doctor of technical sciences, professor, first vice-rector

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

References

  1. Batzill M., Diebold U. The surface and materials science of tin oxideю. Progress in Surface Science. 2005;79(2-4):47–154. doi: 10.1016/j.progsurf.2005.09.002
  2. Granqvist C.G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2007;91(17):1529–1598. doi: 10.1016/j.solmat.2007.04.031
  3. Liu Y., Li Y., Zeng H. ZnO-Based Transparent Conductive Thin Films: Doping, Performance, and Processing. Journal of Nanomaterials. 2013;2013:196521. doi: 10.1155/2013/196521
  4. Bae J.W., Kim H.J., Kim J.S., Yeom G.Y. Development of transparent conducting oxide films for organic light-emitting diode applications. Japanese Journal of Applied Physics. 2012;51(8):08HA02. doi: 10.7567/JJAP.51.08HA02
  5. Yadav A.A., Masumdar E.U., Moholkar A.V., Rajpure K.Y. Effect of quantity of spraying solution on structural, optical, electrical and morphological properties of spray deposited antimony doped tin oxide thin films. Physica B: Condensed Matter. 2010;405(18):3995–4000. doi: 10.1016/j.physb.2010.06.050
  6. Ravichandran K., Philominathan P. Fabrication of antimony doped tin oxide (ATO) films by an inexpensive, simplified spray technique using perfume atomizer. Materials Letters. 2008;62(17-18):2980–2983. doi: 10.1016/j.matlet.2008.01.088
  7. Terrier C., Chatelon J.P., Roger J.A. Electrical and optical properties of Sb:SnO₂ thin films obtained by the sol-gel method. Thin Solid Films. 1997;295(1-2):95–100. doi: 10.1016/S0040-6090(96) 09274-7
  8. Yang J.L., Liu Y.J., Lin H.J., Chen C.C. A chain-structure nanosized Sb-doped SnO₂ humidity sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 2011;153(1):78–85. doi: 10.1016/j.snb.2010.10.010
  9. Moholkar A.V., Pawar S.M., Rajpure K.Y. et al. Effect of fluorine doping on highly transparent conductive spray deposited nanocrystalline tin oxide thin films. Applied Surface Science. 2009;255(23):9358–9364. doi: 10.1016/j.apsusc.2009.07.035
  10. Mishra R.L., Dutta S.K., Choudhary R.N.P. Analysis of impedance and modulus parameters of Sb-doped SnO₂. Materials Science-Poland. 2009;27(4):1125–1134.
  11. Thangaraju B. Structural and electrical studies on highly conducting spray deposited fluorine and antimony doped SnO₂ thin films from SnCl₄ precursor. Thin Solid Films. 2002;402(1-2):71–78. doi: 10.1016/S0040- 6090(01)01667-4
  12. Martínez A.I., Huerta L., de León J.M.O. [et al.]. Physicochemical characteristics of fluorine doped tin oxide films. Journal of Physics D: Applied Physics. 2006;39(23):5091–5096. doi: 10.1088/0022- 3727/39/23/029

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».