The work presented in this thesis is concerned with the microstructure of zinc oxide varistor materials used in surge protecting devices. This class of material has been characterised with special emphasis on the functional microstructure and the development of the microstructure during sintering. Several different techniques have been used for the analysis, especially scanning electron microscopy (SEM) in combination with electron beam-induced current (EBIC) analysis and in-situ studies of heat-treatment experiments and transmission electron microscopy (TEM) in combination with energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) and electron holography. Detailed TEM analyses using primarily centred dark-field imaging of grain boundaries, especially triple and multiple grain junctions, were used to reveal the morphological differences between the various Bi2O3 phases. The triple and multiple grain junctions were found to exhibit distinct differences in morphology, which could be attributed the difference in structure of the crystalline Bi2O3 polymorphs present in the junctions. Electrical measurements were performed on individual ZnO/ZnO grain boundaries using EBIC in the SEM. The EBIC signal was found to depend strongly on the geometric properties of the interface and also on the symmetry of the depletion region at the interface. A symmetric double Schottky barrier was never observed in the experiments, but instead barriers with clear asymmetry in the depletion region. Experimental results together with computer simulations show that reasonably small differences in the deep donor concentrations between grains could be responsible for this effect. Electron holography in the TEM was used to image the electrostatic potential variation across individual ZnO/ZnO interfaces. The sign of the interface charge, the barrier height (about 0.8 eV) and the depletion region width (100 to 150 nm) were determined from holography data. Asymmetries of the depletion region were also found with this technique. The full sintering process of doped ZnO powder granules was studied in-situ in the environmental SEM. The densification and grain growth processes were studied through the sintering cycle. The formation of a functional microstructure in ZnO varistor materials was found to depend strongly on the total pressure.

No description available.

abstract: The research of this dissertation has involved the nanoscale quantitative characterization of patterned magnetic nanostructures and devices using off-axis electron holography and Lorentz microscopy. The investigation focused on different materials of interest, including monolayer Co nanorings, multilayer Co/Cu/Py (Permalloy, Ni81Fe19) spin-valve nanorings, and notched Py nanowires, which were fabricated via a standard electron-beam lithography (EBL) and lift-off process. Magnetization configurations and reversal processes of Co nanorings, with and without slots, were observed. Vortex-controlled switching behavior with stepped hysteresis loops was identified, with clearly defined onion states, vortex states, flux-closure (FC) states, and Omega states. Two distinct switching mechanisms for the slotted nanorings, depending on applied field directions relative to the slot orientations, were attributed to the vortex chirality and shape anisotropy. Micromagnetic simulations were in good agreement with electron holography observations of the Co nanorings, also confirming the switching field of 700-800 Oe. Co/Cu/Py spin-valve slotted nanorings exhibited different remanent states and switching behavior as a function of the different directions of the applied field relative to the slots. At remanent state, the magnetizations of Co and Py layers were preferentially aligned in antiparallel coupled configuration, with predominant configurations in FC or onion states. Two-step and three-step hysteresis loops were quantitatively determined for nanorings with slots perpendicular, or parallel to the applied field direction, respectively, due to the intrinsic coercivity difference and interlayer magnetic coupling between Co and Py layers. The field to reverse both layers was on the order of ~800 Oe. Domain-wall (DW) motion within Py nanowires (NWs) driven by an in situ magnetic field was visualized and quantified. Different aspects of DW behavior, including nucleation, injection, pinning, depinning, relaxation, and annihilation, occurred depending on applied field strength. A unique asymmetrical DW pinning behavior was recognized, depending on DW chirality relative to the sense of rotation around the notch. The transverse DWs relaxed into vortex DWs, followed by annihilation in a reversed field, which was in agreement with micromagnetic simulations. Overall, the success of these studies demonstrated the capability of off-axis electron holography to provide valuable insights for understanding magnetic behavior on the nanoscale. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Materials Science and Engineering 2010

abstract: The research of this dissertation involved quantitative characterization of electrostatic potential and charge distribution of semiconductor nanostructures using off-axis electron holography, as well as other electron microscopy techniques. The investigated nanostructures included Ge quantum dots, Ge/Si core/shell nanowires, and polytype heterostructures in ZnSe nanobelts. Hole densities were calculated for the first two systems, and the spontaneous polarization for wurtzite ZnSe was determined. Epitaxial Ge quantum dots (QDs) embedded in boron-doped silicon were studied. Reconstructed phase images showed extra phase shifts near the base of the QDs, which was attributed to hole accumulation in these regions. The resulting charge density was (0.03±0.003) holes/nm3, which corresponded to about 30 holes localized to a pyramidal, 25-nm-wide Ge QD. This value was in reasonable agreement with the average number of holes confined to each Ge dot determined using a capacitance-voltage measurement. Hole accumulation in Ge/Si core/shell nanowires was observed and quantified using off-axis electron holography and other electron microscopy techniques. High-angle annular-dark-field scanning transmission electron microscopy images and electron holograms were obtained from specific nanowires. The intensities of the former were utilized to calculate the projected thicknesses for both the Ge core and the Si shell. The excess phase shifts measured by electron holography across the nanowires indicated the presence of holes inside the Ge cores. The hole density in the core regions was calculated to be (0.4±0.2) /nm3 based on a simplified coaxial cylindrical model. Homogeneous zincblende/wurtzite heterostructure junctions in ZnSe nanobelts were studied. The observed electrostatic fields and charge accumulation were attributed to spontaneous polarization present in the wurtzite regions since the contributions from piezoelectric polarization were shown to be insignificant based on geometric phase analysis. The spontaneous polarization for the wurtzite ZnSe was calculated to be psp = -(0.0029±0.00013) C/m2, whereas a first principles' calculation gave psp = -0.0063 C/m2. The atomic arrangements and polarity continuity at the zincblende/wurtzite interface were determined through aberration-corrected high-angle annular-dark-field imaging, which revealed no polarity reversal across the interface. Overall, the successful outcomes of these studies confirmed the capability of off-axis electron holography to provide quantitative electrostatic information for nanostructured materials. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Physics 2011

Les nanofils magnétiques suscitent un intérêt considérable depuis une quinzaine d'années en raison de leur utilisation potentielle pour la spintronique. Leur utilisation potentielle dans des dispositifs exige une description détaillée des états magnétiques locaux des nanofils. Dans cette thèse, j'ai étudié qualitativement et quantitativement les états magnétiques à l'état rémanent de nanofils magnétiques par holographie électronique (EH) et simulations micromagnétiques. Une analyse détaillée a été réalisée sur deux types de nanofils : multicouches Co/Cu et nanofils FeCoCu à diamètre modulé. Les deux systèmes ont été synthétisés par électrodéposition dans des membranes. La combinaison des caractérisations magnétiques, structurales et chimiques locales obtenues dans un TEM avec des simulations micromagnétiques ont permis une description complète de ces systèmes. Pour les nanofils multicouches Co / Cu, j'ai analysé l'influence des épaisseurs de cobalt et de cuivre ou de la structure cristalline de Co sur la configuration magnétique de nanofils isolés. Après l'application d'un champs de saturation dans des directions parallèle et perpendiculaire à l'axe des nanofils, j'ai étudié les configurations magnétiques pour les épaisseurs de Co / Cu suivantes : 25nm / 15nm, 25nm / 45nm, 50nm / 50nm et 100nm / 100nm. Trois configurations principales à la rémanence ont été trouvées : (i) un couplage antiparallèle entre les couches Co, (ii) une structure mono-domaine et (iii) un état vortex. Dans les nanofils Co (25 nm) / Cu (15 nm), en fonction de la direction du champ de saturation, les couches de Co peuvent présenter soit un couplage antiparallèle (champ de saturation perpendiculaire) ou un couplage de type vortex (champ de saturation en parallèle) avec un coeur aligné parallèlement à l'axe du fil. Cependant, 10% des nanofils étudié présente un état mono-domaine quel que soit le champ de saturation parallèle et perpendiculaire. Dans le cas Co (50 nm) / Cu (50 nm) et Co (25 nm) / Cu (45 nm), l'épaisseur plus grande de Cu séparant les couches ferromagnétiques réduit l'interaction magnétique entre des couches de Co voisines. L'état rémanent est donc formé de la combinaison de couches de Co monodomaines orientés perpendiculairement à l'axe du fil et de certains états vortex. Enfin pour la configuration Co (100 nm) / Cu (100 nm), un état monodomaine est observé quel que soit la direction du champ appliqué lors de la saturation. Toutes ces configurations magnétiques ont été déterminées et simulées à l'aide des calculs micromagnétiques jusqu'à ce qu'un accord quantitatif avec les résultats expérimentaux aient été obtenus. J'ai ainsi pu expliquer l'apparition et la stabilité de ces configurations en fonction des principaux paramètres magnétiques tels que l'échange, la valeur et la direction de l'anisotropie et l'aimantation. La comparaison entre les simulations et les résultats expérimentaux ont ainsi servi à déterminer précisément la valeur de ces paramètres. Dans les nanofils FeCoCu à diamètre modulé, une description détaillée de l'influence de la géométrie sur la configuration locale de spins a été réalisée. Les expériences d'holographie électronique montrent une structure magnétique monodomaines avec l'aimantation alignée longitudinalement. Cependant, nous avons trouvé grâce à des simulations micromagnétiques que cette configuration monodomaine est fortement affectée par la variation locale du diamètre. L'étude en particulier du champ de fuite mais aussi du champ démagnétisant à l'intérieur des nanofils a mis en évidence le rôle prépondérant des charges magnétiques aux zones de variation de diamètre. De plus l'aimantation présente une structure plus compliquée qu'un simple alignement le long de l'axe du fil. Enfin les résultats que j'ai obtenus ont abouti à une interprétation différente d'expériences précédentes en MFM. / Magnetic nanowires have raised significant interest in the last 15 years due to their potential use for spintronics. Technical achievements require a detailed description of the local magnetic states inside the nanowires at the remnant state. In this thesis, I performed quantitative and qualitative studies of the remnant magnetic states on magnetic nanowires by Electron Holography (EH) experiments and micromagnetic simulations. A detailed investigation was carried out on two types of nanowires: multilayered Co/Cu and diameter-modulated FeCoCu nanowires. Both systems were grown by template-based synthesis using electrodeposition process. The combination of local magnetic, structural and chemical characterizations obtained in a TEM with micromagnetic simulations brought a complete description of the systems. In the multilayered Co/Cu nanowires, I analysed how different factors such as the Co and Cu thicknesses or the Co crystal structure define the remnant magnetic configuration into isolated nanowires. After applying saturation fields along directions either parallel or perpendicular to the NW axis, I studied multilayered Co/Cu nanowires with the following relative Co/Cu thickness layers: 25nm/15nm, 25nm/45nm, 50nm/50nm, and 100nm/100nm. Three main remnant configurations were found: (i) antiparallel coupling between Co layers, (ii) mono-domain-like state and (iii) vortex state. In the Co(25 nm)/Cu(15 nm) nanowires, depending on the direction of the saturation field, the Co layers can present either an antiparallel coupling (perpendicular saturation field) or vortex coupling (parallel saturation field) with their core aligned parallel to the wire axis. However, 10% of the nanowires studied present a mono-domain-like state that remains for both parallel and perpendicular saturation fields. In the Co(50 nm)/Cu(50 nm) and Co(25 nm)/Cu(45 nm) nanowires, a larger Cu thickness separating the ferromagnetic layers reduces the magnetic interaction between neighbouring Co layers. The remnant state is hence formed by the combination of monodomain Co layers oriented perpendicularly to the wire axis and some tilted vortex states. Finally for the Co(100 nm)/Cu(100 nm) nanowires a monodomain-like state is found no matters the direction of the saturation field. All these magnetic configurations were determined and simulated using micromagnetic calculations until a quantitative agreement with experimental results has been obtained. I was able to explain the appearance and stability of these configurations according to the main magnetic parameters such as exchange, value and direction of the anisotropy and magnetization. The comparison between simulations and experimental results were used to precisely determine the value of these parameters. In the diameter-modulated cylindrical FeCoCu nanowires, a detailed description of the geometry-induced effect on the local spin configuration was performed. EH experiments seem to reveal that the wires present a remnant single-domain magnetic state with the spins longitudinally aligned. However, we found through micromagnetic simulations that such apparent single-domain state is strongly affected by the local variation of the diameter. The study of the leakage field and the demagnetizing field inside the nanowire highlighted the leading role of magnetic charges in modulated areas. The magnetization presents a more complicated structure than a simple alignment along the wire axis. Finally my results have led to a new interpretation of previous MFM experiments.

No / Make it connected! 2D close-packed layers of inorganic nanoparticles are interconnected by organic fibrils of oleic acid as clearly visualized by electron holography. These fibrils can be mineralised by PbS to transform an organic-inorganic framework to a completely interconnected inorganic semiconducting 2D array.

Photovoltaic energy is the most promising future energy source. Therefore, strong efforts are made to improve their price-to-efficiency ratio. New technologies and materials are being involved in the production, such as poly-crystalline materials rather than mono-crystalline silicon. Some of these materials are based on copperchalcopyrite with advantageous properties like directly tunable band gap, high absorption coefficients, low deposition temperatures, low-cost materials and capability of deposition on suitable materials. However, correlation between the thin film materials characteristics and device performance are not well understood, and increasing the efficiency needs an exhaustive comprehension of the different phenomena involved in their performance, such as role of defects, doping concentrations and potentials, which requires the development of innovative techniques for the characterization. Electron holography in the TEM would be very helpful, because it allows the quantitative reconstruction of the complex object wave. The measurement of phase and amplitude of the wave makes it possible to determine the potential in the object studied. In this manner, electron holography is a powerful tool for materials characterization at nanometre scale because it relates potential distributions with structure. However, artefacts can be introduced in the measurement. Therefore, the procedure of acquisition, reconstruction and correction of artefacts of the electron holograms, fundamental for the interpretation of the results in terms of potential, are in detail presented. Moreover, the object of study exhibits challenges to the technique because of their polycrystalline structure, which introduces dynamic interaction with the electron beam sometimes stronger than the desired one. Consequently it is necessary to have an adequate measurement procedure. To overcome this limitation, a characterization method including in-situ stimuli is proposed and applied to crystalline silicon and CIGS solar cells. For this, a suitable sample preparation procedure with Focused Ion Beam (FIB) milling, and a specially designed sample holder allowing illumination with light and biasing a TEM sample are developed and applied to solar cells. As result of the work, it is shown that expectedly the electron illumination has an important influence. It produces larger generation rates than 1 sun standard illumination. As counterpart, the recombination processes occurring at the surface of the small and thin sample tend to reduce the potential generated by the illumination. As consequence, only the p-n junction potential is usually measured. To produce an appreciable effect by illumination with light, the TEM lamella must be thicker, and the illumination intensity of the light must be strongly increased. This thesis realises the first extensive study of the application of electron holography to the measurement of potentials in solar cells applying in-situ illumination and biasing. The experimental findings were corroborated by simulation calculations. They show that the processes in the objects are essentially correctly understood, however, quantitative interpretation is not yet sufficiently accurate. / Photovoltaik bietet eine vielversprechende Energiequelle der Zukunft. Deshalb werden große Anstrengungen unternommen, um ihr Preis-Nutzen-Verhältnis zu verbessern. Neue Technologien und Materialien, wie poly-kristalline Materialien werden interessanter als mono-kristallines Silizium. Einige dieser Materialien beruhen auf der Basis von Kupfer-Chalkopyrit mit vorteilhaften Eigenschaften, wie direkt einstellbarer Bandlücke, hohen Absorptionskoeffizienten, niedrigen Abscheidetemperaturen und Verwendung von Low-Cost-Materialien. Allerdings ist die Korrelation zwischen den Eigenschaften der Dünnschicht-Materialien und der Leistung der Solarzellen noch nicht ausreichend verstanden, um die Effizienz weiter zu steigern. Hierfür muss ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Phänomene wie der Rolle von Defekten, Dotierungskonzentrationen und Potenzialen erreicht werden, die die Entwicklung von innovativen Techniken für die Charakterisierung erfordert. Elektronen-Holographie kann zur Beantwortung dieser Fragen beitragen, weil sie die quantitative Rekonstruktion der komplexen Objektwelle im TEM erlaubt. Die Messung der Phase und der Amplitude der Welle macht es möglich, die Objektpotentiale zu bestimmen. Auf diese Weise wird Elektronen-Holographie ein leistungsfähiges Werkzeug für die Materialcharakterisierung im Nanometerbereich, weil sie Struktur und Potentialverteilung an derselben Stelle bestimmen kann. Doch können Artefakte und Missinterpretationen entstehen. Daher sind Aufzeichnung von Elektronenhologrammen sowie Rekonstruktion und Korrektur der Objektwelle von grundlegender Bedeutung für die Interpretation der Ergebnisse und werden im Detail vorgestellt. Ein spezielles Problem von polykristallinen Materialien ist die Tatsache, dass durch unterschiedlich orientierte Kristallite unterschiedliche Innere Potentiale gemessen werden können. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass die Elektronen mit unterschiedlichen Körnern in unterschiedlicher Weise dynamisch wechselwirken; dies führt zu Phasendifferezen, die erheblich stärker sein können als die eigentlich interessanten Halbleiterpotentiale. Deshalb werden die holographischen Untersuchungen so modifiziert, dass die Objekte in-situ, beispielsweise unter Anlegen elektrischer Spannungen (“biasing”) oder Beleuchtung mit Licht, untersucht werden. Die hierzu nötigen neuen Präparationsverfahren für die Objekte werden entwickelt. Ebenso werden neue in-situ Objekthalter entwickelt, die diese Parameter gezielt zu verändern gestatten. Als Ergebnis der Arbeit wird auch gezeigt, dass die Elektronenbeleuchtung einen wichtigen Einfluss auf die gemessenen Potentialverteilungen hat. Sie produziert größere Generationsraten von Elektronen-Loch-Paaren als 1 sun (Standard-Beleuchtung). Tatsächlich werden durch Rekombinationsprozesse an der Oberfläche der Probe die induzierten Potentiale in der Solarzelle verringert. Als Folge wird in der Regel nur das Potenzial des pn-Übergang gemessen. Um eine spürbare Wirkung durch Bestrahlung mit Licht zu erzeugen, muss die TEM-Lamelle dicker gewählt werden, und die Beleuchtung muss wesentlich intensiver sein als unter normalbedingungen. Diese Dissertation realisiert die erste umfassende Studie über die Anwendung von Elektronen-Holographie für die Messung von Potenzialen in Solarzellen unter Anwendung von Biasing und in-situ-Beleuchtung. Die experimentellen Befunde wurden mit umfangreichen Simulationsrechnungen verglichen. Diese zeigen, dass die Vorgänge im wesentlichen qualitativ verstanden sind, auch wenn sie die gemessenen Potentialverteilungen quantitativ oft noch nicht mit der erwünschten Genauigkeit wiedergeben.

Photovoltaic energy is the most promising future energy source. Therefore, strong efforts are made to improve their price-to-efficiency ratio. New technologies and materials are being involved in the production, such as poly-crystalline materials rather than mono-crystalline silicon. Some of these materials are based on copperchalcopyrite with advantageous properties like directly tunable band gap, high absorption coefficients, low deposition temperatures, low-cost materials and capability of deposition on suitable materials. However, correlation between the thin film materials characteristics and device performance are not well understood, and increasing the efficiency needs an exhaustive comprehension of the different phenomena involved in their performance, such as role of defects, doping concentrations and potentials, which requires the development of innovative techniques for the characterization. Electron holography in the TEM would be very helpful, because it allows the quantitative reconstruction of the complex object wave. The measurement of phase and amplitude of the wave makes it possible to determine the potential in the object studied. In this manner, electron holography is a powerful tool for materials characterization at nanometre scale because it relates potential distributions with structure. However, artefacts can be introduced in the measurement. Therefore, the procedure of acquisition, reconstruction and correction of artefacts of the electron holograms, fundamental for the interpretation of the results in terms of potential, are in detail presented. Moreover, the object of study exhibits challenges to the technique because of their polycrystalline structure, which introduces dynamic interaction with the electron beam sometimes stronger than the desired one. Consequently it is necessary to have an adequate measurement procedure. To overcome this limitation, a characterization method including in-situ stimuli is proposed and applied to crystalline silicon and CIGS solar cells. For this, a suitable sample preparation procedure with Focused Ion Beam (FIB) milling, and a specially designed sample holder allowing illumination with light and biasing a TEM sample are developed and applied to solar cells. As result of the work, it is shown that expectedly the electron illumination has an important influence. It produces larger generation rates than 1 sun standard illumination. As counterpart, the recombination processes occurring at the surface of the small and thin sample tend to reduce the potential generated by the illumination. As consequence, only the p-n junction potential is usually measured. To produce an appreciable effect by illumination with light, the TEM lamella must be thicker, and the illumination intensity of the light must be strongly increased. This thesis realises the first extensive study of the application of electron holography to the measurement of potentials in solar cells applying in-situ illumination and biasing. The experimental findings were corroborated by simulation calculations. They show that the processes in the objects are essentially correctly understood, however, quantitative interpretation is not yet sufficiently accurate.:1. Introduction 2 Basics of Solar Cells 3 Potential measurement by electron holography 4 Application of electron holography on solar cells 5 Design, construction, characterisation and application of a TEM holder for in-situ biasing and illumination 6 TEM sample preparation for in-situ biasing and illumination 7 Measurement of built-in potential under in-situ illumination and bias of solar cells / Photovoltaik bietet eine vielversprechende Energiequelle der Zukunft. Deshalb werden große Anstrengungen unternommen, um ihr Preis-Nutzen-Verhältnis zu verbessern. Neue Technologien und Materialien, wie poly-kristalline Materialien werden interessanter als mono-kristallines Silizium. Einige dieser Materialien beruhen auf der Basis von Kupfer-Chalkopyrit mit vorteilhaften Eigenschaften, wie direkt einstellbarer Bandlücke, hohen Absorptionskoeffizienten, niedrigen Abscheidetemperaturen und Verwendung von Low-Cost-Materialien. Allerdings ist die Korrelation zwischen den Eigenschaften der Dünnschicht-Materialien und der Leistung der Solarzellen noch nicht ausreichend verstanden, um die Effizienz weiter zu steigern. Hierfür muss ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Phänomene wie der Rolle von Defekten, Dotierungskonzentrationen und Potenzialen erreicht werden, die die Entwicklung von innovativen Techniken für die Charakterisierung erfordert. Elektronen-Holographie kann zur Beantwortung dieser Fragen beitragen, weil sie die quantitative Rekonstruktion der komplexen Objektwelle im TEM erlaubt. Die Messung der Phase und der Amplitude der Welle macht es möglich, die Objektpotentiale zu bestimmen. Auf diese Weise wird Elektronen-Holographie ein leistungsfähiges Werkzeug für die Materialcharakterisierung im Nanometerbereich, weil sie Struktur und Potentialverteilung an derselben Stelle bestimmen kann. Doch können Artefakte und Missinterpretationen entstehen. Daher sind Aufzeichnung von Elektronenhologrammen sowie Rekonstruktion und Korrektur der Objektwelle von grundlegender Bedeutung für die Interpretation der Ergebnisse und werden im Detail vorgestellt. Ein spezielles Problem von polykristallinen Materialien ist die Tatsache, dass durch unterschiedlich orientierte Kristallite unterschiedliche Innere Potentiale gemessen werden können. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass die Elektronen mit unterschiedlichen Körnern in unterschiedlicher Weise dynamisch wechselwirken; dies führt zu Phasendifferezen, die erheblich stärker sein können als die eigentlich interessanten Halbleiterpotentiale. Deshalb werden die holographischen Untersuchungen so modifiziert, dass die Objekte in-situ, beispielsweise unter Anlegen elektrischer Spannungen (“biasing”) oder Beleuchtung mit Licht, untersucht werden. Die hierzu nötigen neuen Präparationsverfahren für die Objekte werden entwickelt. Ebenso werden neue in-situ Objekthalter entwickelt, die diese Parameter gezielt zu verändern gestatten. Als Ergebnis der Arbeit wird auch gezeigt, dass die Elektronenbeleuchtung einen wichtigen Einfluss auf die gemessenen Potentialverteilungen hat. Sie produziert größere Generationsraten von Elektronen-Loch-Paaren als 1 sun (Standard-Beleuchtung). Tatsächlich werden durch Rekombinationsprozesse an der Oberfläche der Probe die induzierten Potentiale in der Solarzelle verringert. Als Folge wird in der Regel nur das Potenzial des pn-Übergang gemessen. Um eine spürbare Wirkung durch Bestrahlung mit Licht zu erzeugen, muss die TEM-Lamelle dicker gewählt werden, und die Beleuchtung muss wesentlich intensiver sein als unter normalbedingungen. Diese Dissertation realisiert die erste umfassende Studie über die Anwendung von Elektronen-Holographie für die Messung von Potenzialen in Solarzellen unter Anwendung von Biasing und in-situ-Beleuchtung. Die experimentellen Befunde wurden mit umfangreichen Simulationsrechnungen verglichen. Diese zeigen, dass die Vorgänge im wesentlichen qualitativ verstanden sind, auch wenn sie die gemessenen Potentialverteilungen quantitativ oft noch nicht mit der erwünschten Genauigkeit wiedergeben.:1. Introduction 2 Basics of Solar Cells 3 Potential measurement by electron holography 4 Application of electron holography on solar cells 5 Design, construction, characterisation and application of a TEM holder for in-situ biasing and illumination 6 TEM sample preparation for in-situ biasing and illumination 7 Measurement of built-in potential under in-situ illumination and bias of solar cells

Das Einbringen von Dotierstoffen in das Substratmaterial ist einer der wichtigsten Teilprozesse in der Halbleiterindustrie. Größe, Lage und Konzentration elektrisch aktiver Dotiergebiete bestimmen wesentlich die Eigenschaften der mikroelektronischen Basisbauelemente und damit die Funktionalität der Endprodukte. Die kontinuierliche Verkleinerung dieser Bauelemente zieht steigende Anforderungen an die Präzision bei ihrer Herstellung nach sich. Analyseverfahren, mit denen die genannten Kenngrößen gemessen werden können, sind aus diesem Grund von hoher Bedeutung. Elektronenholographie ist eine dafür prinzipiell geeignete Messmethode, da sie eine zweidimensionale Vermessung der durch die Dotanden veränderten Potentialstruktur des Halbleiters in der geforderten Ortsauflösung von wenigen nm erlaubt. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Optimierung der für die holographische Untersuchung wichtigen Parameter. Zu diesem Zweck werden sowohl präparative Aspekte wie geeignete Probendicke und Struktur der Proben als auch messtechnische Aspekte wie kohärente Beleuchtung und TEM-Parameter diskutiert. Während sich der Hauptteil der Arbeit mit den dabei gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnissen befasst, werden im Anhang die bei Präparation und Messung wichtigen Details ausführlich beschrieben. Ein wesentliches Problem bei der elektronenholographischen Messung stellt die Präparation der Objekte für die Untersuchung im TEM dar. Die einzige sinnvolle Möglichkeit für eine industrielle Anwendung ist die Zielpräparation mit dem fokussierten Ionenstrahl („FIB“), da keine andere Methode vergleichbar effizient arbeitet. Leider wird bei dieser Art von Präparation die Probe von der Oberfläche bis in eine gewisse Tiefe sowohl strukturell als auch elektrisch verändert. Diese Artefakte beeinflussen das Ergebnis der hochsensiblen holographischen Messung. Um die gewonnenen Daten dennoch verlässlich quantitativ auswerten zu können, muss klar zwischen ursprünglichen Objekteigenschaften und präparativ induzierten Schädigungen unterschieden werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden durch die FIB-Präparation hervorgerufene Schädigungen der Probe systematisch analysiert. Mit Hilfe von SIMS konnte die Tiefenverteilung des beim Ionenschneiden eingedrungenen Fremdmaterials gemessen werden. Es wurden Querschnitte von FIB-Proben durch konventionelle, holographische sowie holographisch-tomographische Abbildung im TEM an einer eigens dafür entwickelten nadelförmigen Probengeometrie untersucht. Dabei wurden die entstandenen strukturellen und elektrischen Veränderungen beobachtet und quantitativ charakterisiert. Der Einsatz von Tomographie erlaubte schließlich die Messung der Potentialverteilung im Inneren der Nadeln ohne eine Verfälschung durch Projektionseffekte. Es wurde gezeigt, dass die über die Schädigungen gewonnenen Erkenntnisse für eine Korrektur der holographischen Daten genutzt werden können. Dazu wurden entsprechende Untersuchungen an verschiedenen Bauelementen aus der Halbleiterindustrie durchgeführt. Die korrigierten Ergebnisse wurden dabei stets mit den theoretischen Erwartungen verglichen.

Longtemps considérées comme néfastes, les contraintes sont devenues un des moyens principaux pour améliorer les performances des dispositifs métal-oxyde-semiconducteur (MOS). En effet, les déformations générées augmentent sensiblement la mobilité des porteurs dans le silicium. C'est dans ce cadre que j'ai étudié, par holographie électronique en champ sombre (DFEH), les déformations cristallines engendrées par certaines étapes clés du procédé de fabrication de transistors planaires de dernière génération, totalement déplétés car réalisés sur des substrats silicium sur isolant (FD-SOI). La DFEH est une technique de microscopie électronique en transmission (TEM), récemment inventée au CEMES, qui permet de cartographier les déformations cristallines avec une résolution spatiale nanométrique et une précision de 10-4 sur des champs de vue micrométriques. J'ai mis au point et utilisé des modélisations par éléments finis afin de comprendre puis reproduire mes résultats expérimentaux et ainsi identifier les phénomènes mécaniques mis en jeu au cours de différentes étapes. Après avoir prouvé que la DFEH est adaptée à la mesure des champs de déformation dans les structures MOS FDSOI (couche superficielle de Si désorientée vis-à-vis du substrat de référence), je me suis intéressé au procédé de conversion de films minces de Si en SiGe, par la méthode dite de "condensation de germanium". J'ai montré que cette technique permet d'obtenir des films minces de type SiGe (SGOI) pseudomorphes, de composition variable. Les déformations hors plan mesurées par DFEH mettent en évidence les deux mécanismes affectant la redistribution du Ge (diffusion et injection), dont l'importance relative dépend de la température à laquelle s'effectue le procédé. De plus, j'ai montré que ces films minces SGOI, initialement contraints, se relaxaient très fortement lors de leur gravure en vue de la fabrication de substrats co-intégrés SOI/SGOI. J'ai pu identifier que cet effet, initialement observé à partir de mesures électriques et connu sous le nom d'effet "SA/SB", ne pouvait être dû qu'à des caractéristiques mécaniques dégradées de l'interface SiGe/SiO2. Je me suis ensuite intéressé à certaines des étapes clés de la fabrication du transistor suspectées de modifier l'état de déformation de la structure, telles que la fabrication de l'empilement de grille et des sources/drains ainsi que de la siliciuration nécessaire à la prise des contacts. J'ai pu expliquer en quoi et pourquoi ces étapes impactaient l'état final de déformation du canal du transistor et donc ses performances. Par ailleurs, je montre comment et dans quelles limites la DFEH peut être utilisée pour mesurer des concentrations de dopants, en conservant une résolution nanométrique. J'ai particulièrement étudié le cas (favorable) du bore dans le silicium et, après couplage à des mesures électriques, j'ai ainsi pu calculer le coefficient reliant les déformations mesurées aux concentrations de bore en substitution. Finalement, j'ai comparé et discuté des différences entre informations fournies par DFEH et par diffraction de rayons X haute résolution. Une annexe complète ce travail et discute des conditions optiques et d'utilisation optimales des sources à émission de champ Schottky équipant un TEM, notamment de la contribution des lobes d'émission latérale sur le degré de cohérence de la sonde. / After being considered harmful for a long time, stress became one of the principal means to improve metal-oxide-semiconductor (MOS) device performance. Indeed, the generated strains significantly increase carrier mobility in silicon. Within this context, I used dark-field electron holography (DFEH) to study the crystalline strains generated by some key steps of the manufacturing process of latest generation of planar transistors, fully depleted as produced on silicon on insulator substrates (FD-SOI). DFEH is a transmission electron microscopy (TEM) technique, recently invented at CEMES, which allows crystalline strain to be mapped with nanometric resolution and an accuracy of 10-4 over micrometric fields of view. I developed and used finite element models in order to understand, then reproduce, my experimental results and thus identify the mechanical phenomena involved during different processing steps. After proving that DFEH is suitable for strain fields mapping in FDSOI MOS structures (Si surface layer disorientated in respect of the reference substrate), I have been interested in the conversion process of thin Si films into SiGe, by a method known as "germanium condensation". I showed that this technique enables pseudomorphous thin SiGe films (SGOI) of variable composition to be obtained. The out-of-plane strain measured by DFEH emphasises the two mechanisms affecting the Ge redistribution (diffusion and injection), whose relative importance depends on the temperature of the process. Moreover, I showed that these thin SGOI films, initially stressed, relax strongly during the etching carried out to manufacture co-integrated SOI/SGOI substrates. I could identify that this effect, initially observed by electrical measurements and known as "SA/SB" effect, can only be explained by a degradation of the mechanical characteristics of the SiGe/SiO2 interface. I have also been interested in some of the key steps of the transistor manufacturing suspected to modify the structural strain state, such as the grid stack and sources/drains processes, as well as salicidation necessary to form the contacts. I was able to explain how and why these steps impact the final strain state of the transistor channel and thus its performance. In a separate development, I have shown how DFEH can be used to measure doping concentrations while preserving a nanometric resolution, and discuss its limits. I studied in particular the (favourable) case of boron doping in silicon and, after electrical measurements coupling, I calculated the coefficient connecting the measured strains to the boron substitution concentrations. Finally, I compared and discussed the differences between information obtained by DFEH and high resolution X-ray diffraction. An appendix completes this work and discusses the optical and optimal use conditions of Schottky field emission sources equipping a TEM, in particular the contribution of side-emission lobes on the degree of coherence of the probe.