@phdthesis{Wolf2015,
  author    = {Wolf, Nadine},
  title     = {Synthese, Charakterisierung und Modellierung von klassischen Sol-Gel- und Nanopartikel-Funktionsschichten auf der Basis von Zinn-dotiertem Indiumoxid und Aluminium-dotiertem Zinkoxid},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-112416},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Das Ziel dieser Arbeit ist neben der Synthese von Sol-Gel-Funktionsschichten auf der Basis von transparent leitf{\"a}higen Oxiden (transparent conducting oxides, TCOs) die umfassende infrarotoptische und elektrische Charakterisierung sowie Modellierung dieser Schichten. Es wurden sowohl {\"u}ber klassische Sol-Gel-Prozesse als auch {\"u}ber redispergierte Nanopartikel-Sole spektralselektive Funktionsschichten auf Glas- und Polycarbonat-Substraten appliziert, die einen m{\"o}glichst hohen Reflexionsgrad im infraroten Spektralbereich und damit einhergehend einen m{\"o}glichst geringen Gesamtemissionsgrad sowie einen niedrigen elektrischen Fl{\"a}chenwiderstand aufweisen. Zu diesem Zweck wurden dotierte Metalloxide, n{\"a}mlich einerseits Zinn-dotiertes Indiumoxid (tin doped indium oxide, ITO) und andererseits Aluminium-dotiertes Zinkoxid (aluminum doped zinc oxide, AZO)verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vertieft verschiedene Parameter untersucht, die bei der Pr{\"a}paration von niedrigemittierenden ITO- und AZO-Funktionsschichten im Hinblick auf die Optimierung ihrer infrarot-optischen und elektrischen Eigenschaften sowie ihrer Transmission im sichtbaren Spektralbereich von Bedeutung sind. Neben der Sol-Zusammensetzung von klassischen Sol-Gel-ITO-Beschichtungsl{\"o}sungen wurden auch die Beschichtungs- und Ausheizparameter bei der Herstellung von klassischen Sol-Gel-ITO- sowie -AZO-Funktionsschichten charakterisiert und optimiert. Bei den klassischen Sol-Gel- ITO-Funktionsschichten konnte als ein wesentliches Ergebnis der Arbeit der Gesamtemissionsgrad um 0.18 auf 0.17, bei in etwa gleichbleibenden visuellen Transmissionsgraden und elektrischen Fl{\"a}chenwiderst{\"a}nden, reduziert werden, wenn anstelle von (optimierten) Mehrfach-Beschichtungen Einfach-Beschichtungen mit einer schnelleren Ziehgeschwindigkeit anhand des Dip-Coating-Verfahrens hergestellt wurden. Mit einer klassischen Sol-Gel-ITO-Einfach-Beschichtung, die mit einer deutlich erh{\"o}hten Ziehgeschwindigkeit von 600 mm/min gedippt wurde, konnte mit einem Wert von 0.17 der kleinste Gesamtemissionsgrad dieser Arbeit erzielt werden. Die Gesamtemissionsgrade und elektrischen Fl{\"a}chenwiderst{\"a}nde von klassischen Sol-Gel-AZOFunktionsschichten konnten mit dem in dieser Arbeit optimierten Endheizprozess deutlich gesenkt werden. Bei Neunfach-AZO-Beschichtungen konnten der Gesamtemissionsgrad um 0.34 auf 0.50 und der elektrische Fl{\"a}chenwiderstand um knapp 89 \% auf 65 Ω/sq verringert werden. Anhand von Hall-Messungen konnte dar{\"u}ber hinaus nachgewiesen werden, dass mit dem optimierten Endheizprozess, der eine erh{\"o}hte Temperatur w{\"a}hrend der Reduzierung der Schichten aufweist, mit N = 4.3·1019 cm-3 eine etwa doppelt so hohe Ladungstr{\"a}gerdichte und mit µ = 18.7 cm2/Vs eine etwa drei Mal so große Beweglichkeit in den Schichten generiert wurden, im Vergleich zu jenen Schichten, die nach dem alten Endheizprozess ausgeh{\"a}rtet wurden. Das deutet darauf hin, dass bei dem optimierten Heizschema sowohl mehr Sauerstofffehlstellen und damit eine h{\"o}here Ladungstr{\"a}gerdichte als auch Funktionsschichten mit einem h{\"o}heren Kristallisationsgrad und damit einhergehend einer h{\"o}heren Beweglichkeit ausgebildet werden. Ein Großteil der vorliegenden Arbeit behandelt die Optimierung und Charakterisierung von ITO-Nanopartikel-Solen bzw. -Funktionsschichten. Neben den verwendeten Nanopartikeln, dem Dispergierungsprozess, der Beschichtungsart sowie der jeweiligen Beschichtungsparameter und der Nachbehandlung der Funktionsschichten, wurde erstmals in einer ausf{\"u}hrlichen Parameterstudie die Sol-Zusammensetzung im Hinblick auf die Optimierung der infrarot-optischen und elektrischen Eigenschaften der applizierten Funktionsschichten untersucht. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der verwendeten Stabilisatoren sowie der verwendeten L{\"o}sungsmittel auf die Schichteigenschaften charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird dargelegt, dass die exakte Zusammensetzung der Nanopartikel-Sole einen große Rolle spielt und die Wahl des verwendeten L{\"o}sungsmittels im Sol einen gr{\"o}ßeren Einfluss auf den Gesamtemissionsgrad und die elektrischen Fl{\"a}chenwiderst{\"a}nde der applizierten Schichten hat als die Wahl des verwendeten Stabilisators. Allerdings wird auch gezeigt, dass keine pauschalen Aussagen dar{\"u}ber getroffen werden k{\"o}nnen, welcher Stabilisator oder welches L{\"o}sungsmittel in den Nanopartikel-Solen zu Funktionsschichten mit kleinen Gesamtemissionsgraden und elektrischen Fl{\"a}chenwiderst{\"a}nden f{\"u}hrt. Stattdessen muss jede einzelne Kombination von verwendetem Stabilisator und L{\"o}sungsmittel empirisch getestet werden, da jede Kombination zu Funktionsschichten mit anderen Eigenschaften f{\"u}hrt. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals stabile AZO-Nanopartikel-Sole {\"u}ber verschiedene Rezepte hergestellt werden. Neben der Optimierung und Charakterisierung von ITO- und AZO- klassischen Sol-Gel- sowie Nanopartikel-Solen und -Funktionsschichten wurden auch die infrarot-optischen Eigenschaften dieser Schichten modelliert, um die optischen Konstanten sowie die Schichtdicken zu bestimmen. Dar{\"u}ber hinaus wurden auch kommerziell erh{\"a}ltliche, gesputterte ITO- und AZO-Funktionsschichten modelliert. Die Reflexionsgrade dieser drei Funktionsschicht-Typen wurden einerseits ausschließlich mit dem Drude-Modell anhand eines selbstgeschriebenen Programmes in Sage modelliert, und andererseits mit einem komplexeren Fit-Modell, welches in der kommerziellen Software SCOUT aus dem erweiterten Drude-Modell, einem Kim-Oszillator sowie dem OJL-Modell aufgebaut wurde. In diesem Fit-Modell werden auch die Einfl{\"u}sse der Glas-Substrate auf die Reflexionsgrade der applizierten Funktionsschichten ber{\"u}cksichtigt und es k{\"o}nnen die optischen Konstanten sowie die Dicken der Schichten ermittelt werden. Dar{\"u}ber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Ellipsometer installiert und geeignete Fit-Modelle entwickelt, anhand derer die Ellipsometer-Messungen ausgewertet und die optischen Konstanten sowie Schichtdicken der pr{\"a}parierten Schichten bestimmt werden k{\"o}nnen.},
  subject      = {Transparent-leitendes Oxid},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Rydzek2012,
  author    = {Rydzek, Matthias},
  title     = {Infrarot-optische, elektrische und strukturelle Charakteristika spektralselektiver Funktionsschichten auf der Basis dotierter Metalloxide},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-71504},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Optisch transparente und elektrisch leitf{\"a}hige Funktionsschichten auf der Basis dotierter Metalloxid-Halbleiter spielen eine bedeutende Rolle als w{\"a}rmestrahlungsreflektierende Schichten in der modernen Architektur. {\"U}ber die im Material vorhandenen freien Ladungstr{\"a}ger wird eine kollektive Anregung im infraroten Spektralbereich erm{\"o}glicht, die zu einem Anstieg der Reflektivit{\"a}t der Metalloxidschicht f{\"u}hrt. Dies geht einher mit einer Reduktion der W{\"a}rmeabstrahlung der Funktionsschicht. Die Motivation der vorliegenden Dissertation lag in der Herstellung, sowie in einer umfassenden Analyse der infrarot-optischen, elektrischen und strukturellen Charakteristika von nasschemisch abgeschiedenen Funktionsschichten auf Basis von Zinn-dotiertem Indiumoxid und Aluminium-dotiertem Zinkoxid. Die Pr{\"a}misse war hierbei, dass die Funktionsschichten einen m{\"o}glichst hohen Reflexionsgrad, respektive einen geringen thermischen Emissionsgrad im infraroten Spektralbereich aufweisen. Im Rahmen der Arbeit wurden deshalb vorrangig die Einfl{\"u}sse der Sol-Parameter und der Art der Probenpr{\"a}paration auf die infrarot-optischen Schichteigenschaften hin untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass es verschiedene M{\"o}glichkeiten gibt, die Eigenschaften der Funktionsschichten im infraroten Spektralbereich zu beeinflussen. Dies kann einerseits bereits bei der Herstellung der Beschichtungsl{\"o}sungen {\"u}ber eine Variation von Parametern wie dem Grad der Dotierung bzw. der Konzentration des Sols erfolgen. Andererseits lassen sich gew{\"u}nschte infrarot-optische Schichteigenschaften direkt {\"u}ber eine Anpassung der Kristallisationstemperaturen unter Zuhilfenahme geeigneter oxidierender und reduzierender Prozessgase einstellen. Im Verlauf der Optimierung der Probenpr{\"a}paration konnte zudem gezeigt werden, dass eine Variation der Anzahl der Funktionsschichten und die damit verbundene Ver{\"a}nderung der Schichtdicke maßgebliche Einfl{\"u}sse auf die infrarot-optischen Eigenschaften hat. Die umfassende optische Charakterisierung der optimierten Proben vom UV {\"u}ber den sichtbaren Spektralbereich bis hin zum IR ergab, dass der Gesamtemissionsgrad eines Glassubstrats durch die Aufbringung eines Mehrschichtsystems deutlich gesenkt werden kann, wobei sich die visuelle Transparenz nur geringf{\"u}gig {\"a}ndert. Im Falle des verwendeten Indium-Zinn-Oxids gen{\"u}gt eine vierfache Beschichtung mit einer Dicke von rund 450 nm, um den Emissionsgrad von unbeschichtetem Glas (0.89) auf unter 0.20 zu senken, wobei die visuelle Transparenz mit 0.85 nur um rund 6 \% abnimmt. Bei Aluminium-Zink-Oxid ergibt sich ein Optimum mit einer rund 1 µm dicken Beschichtung, bestehend aus 11 Einzelschichten, die den Emissionsgrad der Oberfl{\"a}che auf unter 0.40 senkt. Die optische Transparenz liegt hierbei mit 0.88 nur geringf{\"u}gig unter dem unbeschichteten Glas mit einem Wert von 0.91. Neben der ausf{\"u}hrlichen Charakterisierung der Einfl{\"u}sse auf die IR-optischen Schichteigenschaften lag der Fokus der Arbeit auf der Analyse der strukturellen und elektrischen Eigenschaften der optimierten Proben. Mittels REM- und AFM-Aufnahmen konnten Einblicke in die Schichtstruktur und Oberfl{\"a}chenbeschaffenheit der erzeugten Funktionsschichten gewonnen werden. Es hat sich gezeigt, dass bedingt durch dicht beieinanderliegende Kristallite eine geringe Porosit{\"a}t innerhalb der Funktionsschicht entsteht, wodurch eine relativ hohe elektrische Leitf{\"a}higkeit gew{\"a}hrleistet ist. Dabei resultiert eine homogene Oberfl{\"a}chenstruktur mit einer geringen Oberfl{\"a}chenrauheit. Die Homogenit{\"a}t der Funktionsschichten, speziell im Hinblick auf eine gleichm{\"a}ßige Verteilung der maßgeblichen Atome, wurde mit Hilfe von SNMS- Messungen und einem EDX-Element-Mapping verifiziert. Mit Hilfe der Analyse des spezifischen Widerstands der optimierten Funktionsschichten konnte ein Zusammenhang zwischen den infrarot-optischen und elektrischen Schichteigenschaften {\"u}ber die Hagen-Rubens Relation erarbeitet werden. Dar{\"u}ber hinaus wurden an den besten, infrarot-optisch optimierten Proben charakteristische Parameter wie die Bandl{\"u}ckenenergie, die Ladungstr{\"a}gerdichte und die Ladungstr{\"a}gerbeweglichkeit ermittelt. {\"U}ber die Ladungstr{\"a}gerdichte war es zudem m{\"o}glich, die spektrale Lage der Plasmawellenl{\"a}nge zu bestimmen. Basierend auf den ermittelten Werten der optimierten Metalloxidschichten im Bereich der elektronischen Charakterisierung konnte eine Korrelation der infrarot-optischen und elektrischen Schichteigenschaften anhand charakteristischer Punkte im Spektrum der Funktionsschichten erarbeitet werden. Abschließend wurde der Verlauf des spektralen Reflexionsgrads theoretisch modelliert und {\"u}ber eine Parametervariation an den tats{\"a}chlich gemessenen Reflexionsgrad der infrarot-optisch optimierten Proben angefittet. Hierbei zeigte sich eine gute {\"U}bereinstimmung der in den physikalischen Grundlagen der vorliegenden Arbeit getroffenen Annahmen mit den experimentell ermittelten Werten.},
  subject      = {Metalloxide},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Goetzendoerfer2010,
  author    = {G{\"o}tzend{\"o}rfer, Stefan},
  title     = {Synthesis of Copper-Based Transparent Conductive Oxides with Delafossite Structure via Sol-Gel Processing},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-51601},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Starting off with solubility experiments of possible precursors, the present study reveals the whole development of a sol gel processing route for transparent p type semiconductive thin films with delafossite structure right to the fabrication of functional p-n junctions. The versatile sol formulation could successfully be modified for several oxide compositions, enabling the synthesis of CuAlO2, CuCrO2, CuMnO2, CuFeO2 and more. Although several differences in the sintering behaviour of powders and thin films could be observed, the powder experiments significantly contributed to the clearification of the intricate phase development during thermal annealing and also to optimization of the annealing sequence for thin film processing. Two different ternary systems turned out to be the most promising candidates for p-TCO application: Copper aluminum oxide for its high optical transmittance and copper chromium oxide for its low synthesis temperature, which allowed thin film deposition on low-cost borosilicate substrates. In order to combine the advantages of these two systems, the quaternary oxide composition CuAl1-xCrxO2 was investigated. With a higher optical transmittance than CuCrO2, a lower synthesis temperature than CuAlO2 and a lower resistivity than both parent systems, the optimum composition of the quaternary oxide is reached for x = 0.50. Compared to physical vapour deposition techniques, the undoped thin films presented here still need to make up some deficites in their optoelectronic performance. Although the best sol-gel samples are able to compete with RF sputtered samples or sampes deposited by PLD in transmittance, their resistivity is almost two orders of magnitude higher. The most probable reasons for this are the characteristic imperfections of sol-gel thin films like porosity and small crystallite size, which create barriers like grain boundaries and bottlenecks like barely connected particles. By additional effort such shortcomings can be repelled to a certain extend, but nevertheless the density of undoped sol-gel material always stays behind its pendants processed by physical vapour deposition.[246] Furthermore, such additional endeavour is likely to annihilate the advantage of sol-gel technique in processing costs. Extrinsic doping is a common method to decrease the resistivity of delafossite materials. Partially replacing the trivalent cations by divalent ones creates additional holes and thus generates additional charge carriers for p-type semiconductivity. This can improve the conductivity of delafossites by up to three orders of magnitude. Due to the compositorial flexibility of sol-gel processing, dopants could be introduced easily in this study by soluble precursors. However, improving the conductivity of CuAlO2 and CuAl0.5Cr0.5O2 via this method failed. Actually, this seems to be due to the fact that instead of being incorporated into the delafossite phase the dopant ions form intransparent phase impurities like spinels, which interfere with optical transmittance of the thin films. On the contrary, doping had a positive effect on the conductivity and the optical transmittance of copper chromium oxide, with magnesium being the most effective dopant. The resistivity could be decreased by more than three orders of magnitude, but in order to achieve this, much higher Mg concentrations than by other thin film deposition methods were necessary. This indicates a low doping efficiency in sol gel processed thin films, but also the ability of sol gel processing to incorporate more magnesium into the oxide than any other processing method. The extensive substitution of the chromium ions also increases the optical transmittance and allows sol gel processed thin films to draw level with thin films deposited by sputtering methods or PLD. Finally, the applicability of the delafossite thin films was proven by the asymmetric current voltage characteristics of heterojunctions between ITO and the delafossites. Shunting problems of the metallic contacts, on the other hand, reveal structural deficites of the delafossites, which should be the subject of further investigations.},
  subject      = {Transparent-leitendes Oxid},
  language  = {en}
}