Mohammadi Farshkhooni, Mahdad (2023)
Optische Eigenschaften in hochleitfähigen Perowskiten.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026411
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Suche nach Werkstoffen mit gleichzeitig hoher optischer Transparenz und niedrigen Schichtwiderständen ist seit der verbreiteten Verwendung von transparenten, leitfähigen Materialien (TCM) in der Elektronik ein wichtiges Forschungsfeld geworden. Beispiele für den Einsatz von TCMs finden sich in der Unterhaltungselektronik und Informationstechnologie wie in Computerbildschirmen, Smartphones und Flachbildfernsehern, aber auch in Solarzellen und in energiesparenden Technologien wie elektrochromen Fenstern und Beschichtungen zum Schutz vor Wärmeeinstrahlung. Zum einen wird nach neuen Werkstoffen mit potentiell verbesserten Eigenschaften geforscht, da die etablierten TCMs wie Indiumzinnoxid (ITO), wie dotierte Halbleiter im Allgemeinen, im Laufe der Zeit bis nahe ihrer theoretischen Grenzen optimiert worden sind. Zum anderen werden Indium-freie TCMs benötigt, da das Vorkommen des Elementes in der Erdkruste selten ist, vergleichbar mit dem Vorkommen von Silber. In Verbindung mit dem stetigen Bedarfsanstieg führte das zu Preisspitzen und -schwankungen in den vergangenen Jahren, welche seit dem Eintritt der Flüssigkristallanzeigen (LCDs) in den Massenmarkt signifikant zugenommen haben. Des Weiteren konzentriert sich der Hauptanteil der Indiumproduktion auf einige wenige Länder, weswegen Indium auch eine geopolitische Bedeutung zukommt und von der EU als kritisches Element eingestuft wird. Die Entwicklung von Alternativen mit verbesserten optischen und elektrischen Eigenschaften ohne den Einsatz von kritischen Elementen besitzt deshalb eine hohe technologische und wirtschaftliche Relevanz.

Die Materialklasse der hochleitfähigen Perowskite, mit ihren bekanntesten Vertretern SrVO3, SrMoO3 und SrNbO3, erfuhr im letzten Jahrzehnt einen kontinuierlichen Anstieg an Aufmerksamkeit. Einer der Gründe liegt in ihrer optischen Transparenz in weiten Teilen des sichtbaren Spektrums, gepaart mit einer außergewöhnlich hohen elektrischen Leitfähigkeit. Das macht sie zu geeigneten Kandidaten für den Einsatz als transparente Elektroden und in der Plasmonik. Das Transparenzfenster, welches als Spektralbereich zwischen Plasmafrequenz und optischer Übergangsenergie definiert werden kann, umfasst für diese Materialien bislang allerdings nicht das gesamte sichtbare Spektrum. Stattdessen ist es entweder zu höheren (SrMoO3 und SrNbO3) oder niedrigeren Energien (SrVO3) verschoben. Der Anpassung und Optimierung der optischen Eigenschaften in hochleitfähigen Perowskiten kommt deshalb eine zentrale Bedeutung zu, um sie für die Anwendung zu erschließen.

Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen. Der erste Abschnitt befasst sich mit der Rolle des entstehenden Plasmas während der gepulsten Laserabscheidung von hochleitfähigen Perowskiten aus einem höher oxidierten Target mit kationenstöchiometrischer Zusammensetzung. Die aus der systematischen Veränderung der Depositionsparameter gemachten Beobachtungen wurden genutzt, um eine Vielzahl von Verbindungen in der genutzten Anlage schnell zu optimieren und Faustregeln für die Optimierung weiterer Verbindungen des selben Materialklasse zu formulieren. Außerdem wurde der Einfluss von Zwischenschichten zwischen Substrat und funktionaler Schicht auf das Wachstumsverhalten untersucht. Es wurde festgestellt, das Schichten mit hoher Kristallqualität auf Zwischenschichten synthetisiert werden konnten, unabhängig von den Oxidationszuständen, so lange eine ausreichende Stufendichte auf der Oberfläche gewährleistet wurde.

Im zweiten Abschnitt wird von der Synthese und Charakterisierung von Mischkristallen aus hochleitfähigen Perowskiten und die Auswirkung der Stöchiometrie auf ihre funktionalen Eigenschaften berichtet. Der Fokus liegt dabei auf der Evaluierung für den Einsatz als transparente Elektrode. Als Modell wurde das 3d1-4d2-Mischsystem SrVO3-SrMoO3 erstmalig in Form von epitaktischen Dünnschichten abgeschieden und charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die optischen Eigenschaften in der Mischreihe durch Anpassung der B-Kationenstöchiometrie graduell verändern lassen, ohne dabei die elektrische Leitfähigkeit zu kompromittieren. Ein Optimum wurde für SrV1-xMoxO3 bei einer Zusammensetzung von x = 0,5 gefunden. Die Transmission übersteigt bei dieser Zusammensetzung den Wert von 84 % über das gesamte sichtbare Spektrum für eine Schichtdicke von 20 nm. Dabei liegt der spezifische Widerstand bei Raumtemperatur mit 32 Mikroohmzentimeter (Rs = 12 Ohm/sq.) im Bereich der besten leitfähigen Oxide, die aus der Literatur bekannt sind.

Weiterhin wurde der Einfluss von epitaktischer Verspannung auf die optischen Eigenschaften von hochleitfähigen Perowskiten am Beispiel von SrMoO3 untersucht. Ziel war es hierbei, die Plasmafrequenzenergie durch geeignete Verzerrung der Kristallstruktur hin zu niedrigeren Energien zu verschieben, um die optische Transparenz im Sichtbaren zu erhöhen. Die spezifischen Widerstände zeigten sich unempfindlich gegen die epitaktische Verspannung und lagen für moderate Verzerrungen im Bereich von 26,2 - 29,1 Mikroohmzentimeter bei Raumtemperatur. Für die Plasmafrequenzenergie wurde ein grober Trend in Abhängigkeit zur Fehlpassung festgestellt. Dabei zeigten SrMoO3-Schichten mit epitaktischer Zugspannung niedrigere Plasmafrequenzenergien als solche mit epitaktischem Kompressionsdruck. Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften zeigten auffällige Effekte für große Fehlpassungen zwischen Schicht und Substrat, welche sich durch ein Zusammenspiel aus Kristallfeldaufspaltung und Elektronenkorrelationseffekten erklären lassen.

Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass das Materialsystem der hochleitfähigen Perowskite eine Vielzahl an Möglichkeiten bietet, um die funktionalen Eigenschaften auf Basis der Ausgangskomponenten SrVO3, SrNbO3 und SrMoO3 für die technologische Anwendung als transparente Elektrode oder in der Plasmonik zu optimieren. Dadurch besitzt die Materialklasse ein hohes Potential, in Zukunft eine Alternative zu etablierten TCMs auf Basis von unkritischen Elementen darzustellen.

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