@phdthesis{Pfaff2016,
  author    = {Pfaff, Florian Georg},
  title     = {Spektroskopie und hochaufl{\"o}sende Mikroskopie zur Analyse der Grenzfl{\"a}cheneigenschaften in SrTiO\(_3\)-basierten Heterostrukturen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-145023},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {> In oxidischen Heterostrukturen kann es zur Ausbildung unerwarteter elektronischer und magnetischer Phasen kommen. Ein bekanntes Beispiel ist das Heterostruktursystem LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\), an dessen Grenzfl{\"a}che ein zweidimensionalen Elektronensystem (2DES) entsteht, sofern die LaAlO\(_3\)-Filmdicke einen kritischen Wert von mindestens vier Einheitszellen aufweist. {\"A}hnliches Verhalten konnte an der Heterostruktur γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\) beobachtet werden. Die gemessenen Elektronenbeweglichkeiten und Fl{\"a}chenladungstr{\"a}gerdichten {\"u}bertreffen hierbei die in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) um mehr als eine Gr{\"o}ßenordnung. Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung sowie der Analyse dieser beiden Heterostruktursysteme. Die Hauptaspekte sind dabei die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften an der Grenzfl{\"a}che sowie das Verst{\"a}ndnis der zugrundeliegenden Mechanismen. > > Im Hinblick auf das Wachstum wird demonstriert, dass die f{\"u}r LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) etablierte Wachstumsroutine der gepulsten Laserablation sowie die zur {\"U}berwachung des Schichtwachstums verwendete Methode der Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflexion (RHEED) f{\"u}r das γ-Al\(_2\)O\(_3\)-Wachstum modifiziert werden m{\"u}ssen. So kann gezeigt werden, dass durch eine geeignete Variation der Wachstumsgeometrie die Resonanz von Oberfl{\"a}chenwellen, welche im Falle des γ-Al\(_2\)O\(_3\)-Wachstums die Beobachtung von RHEED-Oszillationen erschwert, vermieden werden kann und somit auch hier die {\"U}berwachung des heteroepitaktischen Schichtwachstum mittels Elektronenbeugung m{\"o}glich wird. > > F{\"u}r die Ausbildung des 2DES in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) wird das Szenario der elektronischen Rekonstruktion als m{\"o}gliche Ursache diskutiert, wonach das divergierende Potential innerhalb des polaren LaAlO\(_3\)-Films durch einen Ladungstransfer von der Probenoberfl{\"a}che in die obersten Atomlagen des unpolaren SrTiO\(_3\)-Substrats kompensiert wird. Zudem sind die Eigenschaften der Heterostruktur von den Wachstumsparametern abh{\"a}ngig. So wird in der vorliegenden Arbeit eine deutliche Zunahme der Ladungstr{\"a}gerkonzentration und der r{\"a}umliche Ausdehnung der leitf{\"a}higen Schicht insbesondere f{\"u}r Proben, welche bei sehr niedrigen Sauerstoffhintergrunddr{\"u}cken gewachsen wurden, gezeigt und auf die Erzeugung von Sauerstofffehlstellen innerhalb des Substrats zur{\"u}ckgef{\"u}hrt. Dar{\"u}ber hinaus wird erstmalig die Herstellung atomar scharfer Grenzfl{\"a}chen mit sehr geringer Defektdichte selbst bei sehr niedrigen Wachstumsdr{\"u}cken belegt und erstmals auch direkt elektronenmikroskopisch nachgewiesen. Es werden allenfalls vernachl{\"a}ssigbare Effekte der Sauerstoffkonzentration auf charakteristische, strukturelle Merkmale der Probe beobachtet. Desweiteren zeigt diese Arbeit erstmalig eine von den Wachstumsbedingungen abh{\"a}ngige Gitterverzerrung des Films, was in {\"U}bereinstimmung mit Rechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie einen Hinweis auf ein komplexes Zusammenspiel von elektronischer Rekonstruktion, Sauerstofffehlstellen an der LaAlO\(_3\)-Oberfl{\"a}che und einer Verzerrung der Kristallstruktur als Ursache f{\"u}r die Entstehung des 2DES in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) liefert. > > Neben der mikroskopischen Analyse des 2DES in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) wird die elektronische Struktur dieses Systems zudem mithilfe der resonanten inelastischen R{\"o}ntgenstreuung charakterisiert. Die vorliegende Dissertation zeigt dabei, neben dem Nachweis lokalisierter Ladungstr{\"a}ger vor dem Einsetzen metallischen Verhaltens ab einer kritischen Schichtdicke von vier Einheitszellen, die Existenz eines Raman- und eines fluoreszenzartigen Signals in Abh{\"a}ngigkeit der verwendeten Photonenenergie, was wiederum auf einen unterschiedlichen elektronischen Charakter im Zwischenzustand zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden kann. Gest{\"u}tzt wird diese Interpretation durch vergleichbare Messungen an γ- Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\). In diesem System finden sich zudem ebenfalls Anzeichen lokalisierter Ladungstr{\"a}ger unterhalb der kritischen Schichtdicke f{\"u}r metallisches Verhalten, was ein Hinweis auf einen mit LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) vergleichbaren Grundzustand sein k{\"o}nnte. > > Weitere Messungen mithilfe der resonanten Photoelektronenspektroskopie erm{\"o}glichen zudem eine direkte Beobachtung und Analyse der Ti 3d-Valenzelektronen. Messungen an LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) und γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\) liefern dabei Hinweise auf verschiedene elektronische Ti 3d-artige Zust{\"a}nde. Diese werden zum einen den mobilen Ladungstr{\"a}gern des 2DES zugeschrieben, zum anderen als lokalisierte Elektronen in der N{\"a}he von Sauerstofffehlstellen identifiziert. Eine Analyse des Resonanzverhaltens sowie der spektralen Form der beobachteten Signale zeigt quantitative Unterschiede, was auf einen unterschiedlichen treibenden Mechanismus in beiden Systemen hindeutet und im Hin- blick auf den Einfluss von Sauerstofffehlstellen auf das System diskutiert wird. Zudem zeigen impulsaufgel{\"o}ste Messungen der Zust{\"a}nde am chemischen Potential eine unterschiedliche Intensit{\"a}tsverteilung im k -Raum. Dies wird im Zusammenhang mit Matrixelementeffekten diskutiert und kann vermutlich auf Photoelektronendiffraktion bedingt durch die unterschiedliche Kristallstruktur des Filmmaterials, zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden.},
  subject      = {{\"U}bergangsmetalloxide},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Erfurth2010,
  author    = {Erfurth, Felix},
  title     = {Elektronenspektroskopie an Cd-freien Pufferschichten und deren Grenzfl{\"a}chen in Cu(In,Ga)(S,Se)2 D{\"u}nnschichtsolarzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-46208},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Die in dieser Arbeit untersuchten Solarzellen auf Basis des Verbindungshalbleiters Cu(In,Ga)(S,Se)2 sind zur Zeit das vielversprechendste Materialsystem im Bereich der D{\"u}nnschichtfotovoltaik. Um damit m{\"o}glichst hohe Wirkungsgrade zu erreichen, ist eine CdS-Pufferschicht notwendig, welche aufgrund ihrer Toxizit{\"a}t und des schlecht integrierbaren, nasschemischen Abscheideprozesses durch alternative Pufferschichten ersetzt werden soll. Im Rahmen dieser Arbeit wurden solche Cd-freien Pufferschichten in Chalkopyrit-D{\"u}nnschichtsolarzellen untersucht. Dabei wurde insbesondere deren Grenzfl{\"a}che zum Absorber charakterisiert, da diese eine wesentliche Rolle beim Ladungstr{\"a}gertransport spielt. Die hier untersuchten (Zn,Mg)O-Schichten stellen ein vielversprechendes Materialsystem f{\"u}r solche Cd-freien Pufferschichten dar. Durch den Einbau von Magnesium k{\"o}nnen die elektronischen Eigenschaften der eigentlichen ZnO-Schicht an den Absorber angepasst werden, was zu deutlich h{\"o}heren Wirkungsgraden f{\"u}hrt. Als Hauptgrund geht man dabei von einer besseren Leitungsbandanpassung an der Grenzfl{\"a}che aus, welche allerdings bisher nur grob anhand der Position des Valenzbandmaximums an der Oberfl{\"a}che und der optischen Volumenbandl{\"u}cke abgesch{\"a}tzt werden konnte. In dieser Arbeit wurde diese Grenzfl{\"a}che daher mittels Photoelektronenspektroskopie und Inverser Photoelektronenspektroskopie untersucht, wobei durch die Kombination beider Methoden die Valenz- und Leitungsbandpositionen direkt bestimmt werden konnten. Es wurde gezeigt, dass der Bandverlauf an der Grenzfl{\"a}che tats{\"a}chlich durch die {\"A}nderung des Mg-Gehalts der (Zn,Mg)O-Schichten optimiert werden kann, was eine wichtige Voraussetzung f{\"u}r einen m{\"o}glichst verlustarmen Ladungstransport ist. Im Fall von reinem ZnO wurde ein „cliff" (Stufe nach unten) beobachtet, welches mit steigendem Mg-Gehalt abnimmt schließlich ganz verschwindet. Die weitere Erh{\"o}hung des Mg-Gehalts f{\"u}hrt zur Bildung eines „spike" (Stufe nach oben). Dass es sich bei einer solchen Stufe nicht um die abrupte {\"A}nderung des Bandverlaufs an einer „idealen", scharf definierten Grenzfl{\"a}che handelt, haben die vorliegenden Untersuchungen der chemischen Struktur gezeigt. Infolge der dabei beobachteten Durchmischungseffekte bildet sich eine sehr komplexe Grenzfl{\"a}che mit endlicher Breite aus. So wurde bei der Deposition der (Zn,Mg)O-Schichten die Bildung von In-O-Verbindungen an der Grenzfl{\"a}che beobachtet. Im Fall von Zn konnte die Diffusion in den Absorber nachgewiesen werden, wodurch es dort zur Bildung von ZnS kommt. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurde die Grenzfl{\"a}che zwischen der (Zn,Mg)O-Pufferschicht und CuInS2-Absorbern untersucht. Durch ihre h{\"o}here Bandl{\"u}cke im Vergleich zu den oben untersuchten Cu(In,Ga)(S,Se)2-Absorbern erhofft man sich eine h{\"o}here Leerlaufspannung und dadurch bessere Wirkungsgrade. Bisher liegt dieser Leistungsanstieg allerdings unter den zu erwartenden Werten, wof{\"u}r eine schlechte Anpassung des Leitungsbandverlaufs an die herk{\"o}mmliche CdS-Pufferschicht verantwortlich gemacht wird. Gerade f{\"u}r dieses Materialsystem scheint sich daher (Zn,Mg)O als Pufferschicht anzubieten, um die Bandanpassung an der Grenzfl{\"a}che zu optimieren. Bei den in dieser Arbeit durchgef{\"u}hrten Untersuchungen an dieser Grenzfl{\"a}che konnten ebenfalls Durchmischungsprozesse beobachtet werden. Zus{\"a}tzlich wurde gezeigt, dass auch bei diesem Materialsystem der Bandverlauf an der Grenzfl{\"a}che durch die Variation des Mg-Gehalts angepasst werden kann. Insgesamt konnte so f{\"u}r beide Absorbertypen ein detailliertes Bild der (Zn,Mg)O/Puffer-Grenzfl{\"a}che gezeichnet werden. F{\"u}r hinreichend gute Wirkungsgrade von Zellen mit „trocken" abgeschiedenen Pufferschichten ist in den meisten F{\"a}llen eine zus{\"a}tzliche, nasschemische Vorbehandlung des Absorbers notwendig, deren Einfluss auf die Absorberoberfl{\"a}che ebenfalls in dieser Arbeit untersucht wurde. Dabei hat sich gezeigt, dass durch eine solche Behandlung das auf der Oberfl{\"a}che angereicherte Natrium vollst{\"a}ndig entfernt wird, was eine deutliche Steigerung desWirkungsgrades zur Folge hat.Weitere Untersuchungen f{\"u}hrten zu dem Ergebnis, dass eine solche Reinigung der Absorberoberfl{\"a}che auch durch den Prozess der Sputterdeposition selbst hervorgerufen werden kann. So kommt es neben der Ablagerung des Schichtmaterials zu deutlichem Materialabtrag von der Absorberoberfl{\"a}che, wodurch diese von Adsorbaten und von auf der Oberfl{\"a}che sitzenden Oxidverbindungen gereinigt wird. Untersuchungen an Absorbern, welche in einem Cd2+-haltigen Bad vorbehandelt wurden, haben gezeigt, dass der dabei abgeschiedene CdS/Cd(OH)2-Film ebenfalls fast vollst{\"a}ndig w{\"a}hrend der Sputterdeposition entfernt wird. Abschließend wurden auf In2S3-basierende Pufferschichten charakterisiert, welche aufgrund ihrer bisher erreichten hohen Wirkungsgrade eine weitere Alternative zu CdS-Puffern darstellen. Hier wurde an der Grenzfl{\"a}che zum Absorber eine starke Diffusion der Cu-Atome in die Pufferschicht hinein beobachtet, wodurch es zur Bildung von CuInS2-Phasen kommt. Messungen an bei verschiedenen Temperaturen abgeschiedenen Schichten haben gezeigt, dass diese Diffusion durch hohe Temperaturen zus{\"a}tzlich verst{\"a}rkt wird. Gleichzeitig konnte auch die Diffusion von Ga-Atomen nachgewiesen werden, welche allerdings wesentlich schw{\"a}cher ausf{\"a}llt. Analog zu den vorangegangenen Ergebnissen konnte somit auch bei diesem Materialsystem die Ausbildung einer sehr komplexen Grenzfl{\"a}chenstruktur beobachtet werden.},
  subject      = {D{\"u}nnschichtsolarzelle},
  language  = {de}
}