Bixbyite-Ta2N2O film prepared by HiPIMS and postdeposition annealing: Structure and properties

Abstract

High-power impulse magnetron sputtering of a Ta target in precisely controlled Ar+O2+N2 gas mixtures was used to prepare amorphous N-rich tantalum oxynitride (Ta–O–N) films with a finely varied elemental composition. Postdeposition annealing of the films at 900 °C for 5 min in vacuum led to their crystallization without any significant change in the elemental composition. The authors show that this approach allows preparation of a Ta–O–N film with a dominant Ta2N2O phase of the bixbyite structure. As far as the authors know, this phase has been neither experimentally nor theoretically reported yet. The film exhibits semiconducting properties characterized by two electrical (indirect or selection-rule forbidden) bandgaps of about 0.2 and 1.0 eV and one optical (direct and selection-rule allowed) bandgap of 2.0 eV (suitable for visible-light absorption up to 620 nm). This observation is in good agreement with the carried out ab initio calculations and the experimental data obtained by soft and hard X-ray photoelectron spectroscopy. Furthermore, the optical bandgap is appropriately positioned with respect to the redox potentials for water splitting, which makes this material an interesting candidate for this application.

Vysokovýkonové pulzní magnetronové rozprašování Ta terče v přesně kontrolovaných směsích Ar+O2+N2 bylo použito k přípravě amorfních vrstev oxynitridů tantalu (Ta–O–N) bohatých na N s jemně řízeným prvkovým složením. Následné žíhání vrstev při teplotě 900 °C po dobu 5 min ve vakuu vedlo k jejich krystalizaci při zachování jejich prvkového složení. Autoři ukazují, že tento přístup umožňuje přípravu vrstev Ta–O–N s dominantní fází Ta2N2O se strukturou typu bixbyite. Pokud víme, tato fáze nebyla doposud experimentálně prokázána ani teoreticky předpovězena. Vrstva vykazuje polovodičové vlastnosti, které jsou charakterizovány pomocí dvou elektrických zakázaných pásů o hodnotách 0,2 a 1,0 eV a jednoho optického zakázaného pásu o hodnotě 2,0 eV (vhodný pro absorpci viditelného světla o vlnové délce až 620 nm). Toto pozorování je v dobrém souladu s provedenými výpočty ab initio a experimentálními daty získanými pomocí metody fotoelektronové spektroskopie. Navíc pozice optického zakázaného pásu je vhodná vzhledem k redoxním potenciálům pro rozklad vody, což tento materiál dělá vhodným kandidátem pro tuto aplikaci.