In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu(In,Ga)(S,Se)2, der heute vielversprechendsten Dünnschichttechnologie, durchgeführt. Für eine weitere Optimierung der Zellen ist ein detailliertes Verständnis ihrer chemischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften notwendig. Insbesondere die in dieser Arbeit untersuchten Eigenschaften an den Grenzflächen der Zelle sind aufgrund ihrer zentralen Rolle für den Ladungsträgertransport von besonderem Interesse. Bei den vorliegenden Untersuchungen kamen verschiedene Spektroskopien zum Einsatz. Mit einer Kombination von Photoelektronenspektroskopie und Inverser Photoelektronenspektroskopie war es möglich, sowohl eine direkte Bestimmung der Valenz- und Leitungsbandanpassungen an den untersuchten Grenzflächen durchzuführen als auch Oberflächenbandlücken zu bestimmen. Die Messungen wurden durch die volumenempfindliche Röntgenemissionsspektroskopie ideal ergänzt, die - wie diese Arbeit zeigt - zusammen mit der Photoelektronenspektroskopie besonders nützlich bei der Analyse des Durchmischungsverhaltens an Grenzflächen oder auch des Einflusses chemischer Behandlungen auf die chemischen und elektronischen Eigenschaften von Oberflächen ist. Im ersten Teil der Arbeit wurden vier Grenzflächen in Proben auf der Basis des Cu(In,Ga)(S,Se)2-Absorbers von Shell Solar (München) untersucht. Es konnte dabei zunächst das Durchmischungsverhalten an der CdS/CuIn(S,Se)2-Grenzfläche in Abhängigkeit des S-Gehaltes an der Absorberoberfläche untersucht werden. Bei Messungen an der i-ZnO/CdS-Grenzfläche wurde ein flacher Leitungsbandverlauf gefunden, zudem konnte eine Durchmischung an dieser Grenzfläche ausgeschlossen werden. Eine besondere Herausforderung stellten die Messungen an der Grenzfläche des Absorbers zum Molybdänrückkontakt dar, da diese Grenzfläche nach ihrem Entstehen unweigerlich unter der etwa 1-2 um dicken Absorberschicht begraben liegt. Durch geeignetes Abspalten des Absorbers vom Rückkontakt gelang es, diese Grenzfläche freizulegen und zu spektroskopieren. Die Untersuchungen zur Vorbehandlung des Shell-Absorbers mit einer ammoniakalischen Cd-Lösung dienten dem Verständnis der positiven Einflüsse dieser Behandlung auf den Zellwirkungsgrad. Dabei wurde neben verschiedenen Reinigungswirkungen auf den Absorber als wichtigster Befund die Bildung einer sehr dünnen CdS-Schicht und, für hohe Cd-Konzentrationen, einer zusätzlichen Cd(OH)2-Schicht auf der Absorberoberfläche nachgewiesen. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Cd-Behandlung haben eine besondere Bedeutung für die Untersuchung der Grenzfläche des Absorbers und einer mit ILGAR ("Ion Layer Gas Reaction") hergestellten Zn(O,OH)-Pufferschicht. An dieser Grenzfläche wurde die Bandanpassung mit und ohne vorherige Cd-Behandlung des Absorbers vermessen. Wird die Bandanpassung ohne Vorbehandlung noch durch Adsorbate auf dem Absorber dominiert, wobei man ein "Cliff" im Leitungsband findet, so ist der Leitungsbandverlauf für die Grenzfläche mit Cd-behandeltem Absorber flach, was im Einklang mit den sehr guten Wirkungsgraden steht, die mit solchen Zellen erreicht werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Messungen an Dünnschichtsolarzellen mit selenfreiem Cu(In,Ga)S2 Absorber diskutiert. Ein Problem des Cu(In,Ga)S2-Systems besteht heute noch darin, daß die offene Klemmenspannung geringer ausfällt, als dies aufgrund der im Vergleich zu CuInSe2 größeren Bandlücke zu erwarten wäre. Modelle, die dies auf eine ungünstige Bandanpassung an der CdS/Cu(In,Ga)S2-Grenzfläche zurückführen, konnten in dieser Arbeit durch die Messung der Leitungsbandanpassung, die ein deutlich "Cliff"-artiges Verhalte aufweist, bestätigt werden. Untersuchungen des Einflusses unterschiedlicher Oberflächenzusammensetzungen auf die chemischen und elektronischen Eigenschaften der Cu(In,Ga)Se2-Absorberoberfläche ergaben, wie sich die Bandlücke des Absorbers mit wachsender Kupferverarmung vergrößert und gleichzeitig die Bandverbiegung zunimmt. Im letzten, rein grundlagenorientierten Teil dieser Arbeit wurden Röntgenabsorptions- und resonante Röntgenemissionsmessungen an CdS und ZnS im Vergleich zu von A. Fleszar berechneten theoretischen Spektren, die unter Berücksichtigung der Übergangsmatrixelemente aus einer LDA-Bandstruktur berechnet wurden, diskutiert. Es konnten dabei sowohl Anregungen in exzitonische Zustände als auch kohärente Emission mit Informationen über die Bandstruktur gefunden werden. Auch war es möglich, die Lebensdauern verschiedener Valenzlochzustände zu bestimmen. Es zeigt sich, daß so die Bestimmung einer unteren Grenze für die Bandlücke möglich ist, für eine genaue Bestimmung bei den untersuchten Verbindungen jedoch ein Vergleich mit theoretischen Berechnungen notwendig ist. / In this thesis, thin film solar cells based on Cu(In,Ga)(S,Se)2 - today's most promising thin film solar cell technology - were spectroscopically analyzed in some detail. Until now, good results could be obtained mainly by empirically optimizing the process parameters, but a further optimization calls for a fundamental understanding of the Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cell. Since this device is a multilayer system, a detailed knowledge of the chemical, structural, and electronic properties of its interfaces is required. Partly due to the cost effective production process of the Cu(In,Ga)(S,Se)2 thin film solar cells, their properties are very different from ideal reference systems like single crystals, which makes them a particularly interesting research field. However, this requires the consideration of two aspects: the investigated samples should originate as close as possible from the industrial production process and, when investigating interfaces, their properties have to be measured directly without relying on previously published bulk properties. Both aspects have been achieved in this work. Samples were directly taken from the production process of different collaboration partners, and a direct determination of the conduction and valence band alignments, which are crucial for the carrier transport through the cell device, were conducted by a combination of photoelectron spectroscopy and inverse photoemission. These techniques were ideally complemented by x-ray emission spectroscopy, which can be particular helpful when investigating intermixing processes or the influence of chemical treatments on the chemical and electronic properties of surfaces. In the first part of this thesis, four different interfaces in samples based on the Cu(In,Ga)(S,Se)2 absorber of Shell Solar were investigated. It could be shown, that the intermixing of sulfur and selenium at the CdS/Cu(In,Ga)(S,Se)2 interface found in earlier measurements is dependent on the sulfur content at the absorber surface. Next, the interface between the CdS buffer layer and the i-ZnO part of the window layer was investigated. For this interface, an intermixing can be excluded and a flat conduction band offset is found. By suitably removing the absorber from the back contact, it was possible to investigate the interface between the absorber and the Mo back contact with spectroscopic techniques giving insight into the chemical properties of this interface. The chemical treatment of the absorber by an ammonia-based Cd-solution was investigated for a better understanding of its beneficial impact on the cell performance. Apart from a cleaning of the absorber, the main finding was the formation of a very thin CdS/CdSe layer and, for high Cd-concentrations, of an additional Cd(OH)2 layer on the absorber surface. The investigated Cd-treatment significantly improves the performance of cells with a Zn(O,OH) buffer layer deposited with ILGAR ("Ion Layer Gas Reaction"). The band alignment at the interface between ILGAR Zn(O,OH) and the absorber was investigated with Cd-treated and untreated absorbers. In the second part of this thesis, measurements of thin film solar cells with selenium-free Cu(In,Ga)S2 absorbers are discussed. These absorbers have a larger band gap than CuInSe2, which gives them the potential of higher efficiencies. However, the gain in the open circuit voltage is smaller than expected raising one of the most important questions in the CIGSSe community. In this thesis, this question is answered by a model, that ascribes this behavior to an unfavorable band alignment at the CdS/Cu(In,Ga)S2 interface. The model is supported by the measurement of the band alignment showing a pronounced "cliff" in the conduction band. The investigation of the influence of different absorber surface compositions on the chemical and electronic properties of the Cu(In,Ga)Se2 surface shows, that the surface band gap is increased by increasing copper depletion. These measurements are an important contribution to the understanding of the different recombination behaviors and efficiencies of cells with copper-rich and copper-poor absorbers. In the last part of this thesis, x-ray absorption and resonant x-ray emission spectra of CdS and ZnS (i.e. the currently preferred buffer material (CdS) as well as one of its most promising alternatives (ZnS) for Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cells) were discussed and compared to calculations of A. Fleszar. In these calculations theoretical spectra were obtained ad hoc using an LDA band structure taking the transition matrix elements into account. Thereby valuable information about the band structure could be extracted from the coherent emission in the resonant spectra. Moreover lifetimes of different valence hole states were determined with the surprising observation of an 1.5 eV lifetime broadening of the S 3s deep valence hole.

Die Synthese von oberflächengepfropften Polypeptoidbürsten durch die Oberflächeninitiierte Ringoffnungspolmerisation von N-substituierten N-carboxyanhydriden wird beschrieben. Die entstehenden Schichten werden durch Zelladhäsionsexperimente und Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie auf ihre Antibiofouling-Eigenschaften untersucht. UV-Lithographie und Mikrokontaktdrucken wird zur Herstellung von strukturierten Oberflächen verwendet. Eine Funktionalisierung der Strukturen wird mit Fluoreszenzmikroskopie und Fluoreszenzmapping nachgewiesen. Ein zweiter Schwerpunkt befasst sich mit der Synthese von Kompositschichten. Oberflächengepropfte polykationische Polymerbürsten dienen als Einlagerungsmedium für negativ geladene Nanopartikel. Durch calcinieren werden poröse Schichten erhalten. Die Anwendung des Verfahrens auf ein Partikelsystem generiert poröse Core-Shell-Partikel.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bildung von Methoxygruppen auf als Modellkatalysatoren dienenden V2O3(0001)- und V2O5(001)-Oberflächen untersucht. Dieses ist ein Zwischenschritt einer industriell bedeutsamen Reaktion, der oxidativen Dehydrierung von Methanol zu Formaldehyd.Unter typischen UHV-Bedingungen wird die V2O3(0001)-Oberfläche von Vanadylgruppen und die V2O5(001)-Oberfläche von Doppelreihen aus Vanadylgruppen terminiert. Die Sauerstoffatome dieser Vanadylgruppen können durch Elektronenstrahlen entfernt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, den Grad der Oberflächenreduktion durch die Elektronenstrahldosis zu variieren. Vanadylterminierte V2O3(0001)-Oberflächen sind unreaktiv im Hinblick auf die partielle Oxidation von Methanol. Die höchste Reaktivität weist eine nur schwach reduzierte Oberfläche auf. Details der Methanoladsorption sind mittels STM untersucht worden. Dabei wurde herausgefunden, dass n elektronenstrahl-induzierte Defekte zu 2n Methoxygruppen führen. Diese zusätzlichen Adsorptionsplätze werden durch desorbierendes Wasser, welches aus miteinander kombinierenden Hydroxygruppen entsteht, gebildet.Defektfreie V2O5(001)-Oberflächen sind ebenso inaktiv bezüglich der Formaldehydproduktion. Die höchste Reaktivität wurde wiederum für eine nur schwach reduzierte Oberfläche gefunden. Durch die gleichzeitige Desorption von rekombiniertem Methanol und Wasser sind bei Raumtemperatur nicht alle Defekte belegt, woraus sich eine geringere Menge Formaldehyd, verglichen mit V2O3,ergibt. Dosiert man eine große Menge Methanol bei Raumtemperatur, ist dieses nicht der Fall. Methoxygruppen werden auf der Oberfläche erst stabilisiert, wenn der Wasserstoff in Form von Wasser desorbiert ist. Daraus resultiert eine Zeitabhängigkeit der Methoxybedeckung, die durch kinetische Modelle gut reproduziert werden kann. / The formation of methoxy groups, which is an intermediate step in the oxidative dehydrogenation of methanol to formaldehyde has been investigated on the surface of two model catalysts, V2O3(0001) and V2O5(001).Under typical UHV-conditions a layer of vanadyl groups terminates the V2O3 films whereas the V2O5 films are terminated by double rows of vanadyl groups. The oxygen atoms of the vanadyl groups can be removed by electron irradiation. The applied dose controls the degree of reduction. Vanadyl terminated V2O3(0001) surfaces were found to be unreactive towards the partial oxidation of methanol. The highest reactivity is observed for a partial vanadium termination. Details of the surface reaction were investigated with STM. It was found that n electron induced surface defects lead to the formation of 2n methoxy groups. The additional adsorption sites were created by water desorption, which is formed by the combination of hydroxy groups. Defect free V2O5(001) films were also shown to be inactive for formalde-hyde production. The highest reactivity is found for a partially reduced surface. But here the simultaneous formation of methanol and water via recombination is a likely process. This leads to a decrease of the surface methoxy coverage. At room temperature not all reactive defects are covered which gives a relatively low formaldehyde yield. Dosing a relatively large dose of methanol at room temperature leads to an almost full coverage of the defects and to a higher formaldehyde yield. The way to stabilize methoxy up to the formaldehyde formation temperature is removal of hydrogen out of the system by water formation. This competes with methanol formation for hydrogen atoms. These processes lead to a certain time dependence of the methoxy concentration, which could be well reproduced with kinetic modelling.

In the field of electronic organic materials, conjugated polymers (CPs) have attracted much attention in recent years. It has been well-established that performances of thin-film devices based on π-conjugated polymers, such as light-emitting diodes, field-effect transistors and photovoltaic cells, are strongly dependent on the organisation of the polymer molecules and their interactions with other constituents in multicomponent devices. The use of CPs in integrated circuits, solar cells, light-emitting diodes or sensors often requires their covalent fixation and patterning on various surfaces. CPs can be grafted to functionalized surfaces by (electro)chemical cross-linking; however, it is difficult to control a structural order within the cross-linked films. The attachment of CP chains to substrates by their end-points to form polymer brushes would be an interesting alternative, and could possibly be crucial for many devices requiring charge injection and charge transport processes. The main aim of this work, which was the synthesis of covalently grafted conjugated polymer brushes on solid substrates using a "grafting from" approach, was successfully performed. During the course of this work, the process of surface-initiated polycondensation was investigated. The newly developed method to selectively graft conjugated polymers from different substrates such as Si-wafers, quartz slides or modificated nanoparticles allowed us to produce different architectures which were earlier possible to prepare only non-conductive polymers. Exposure of the substrate with an activated surface layer into the monomer solution produced polymer brushes in a very economical way. Since only monomer was consumed for grafting from the surface. The grafting process was extensively investigated by different methods, and the thickness of the obtained poly(fluorene) films was elucidated by Null-ellipsometry and confirmed by the AFM scratch-test. Preliminary characteristics of the device, based on PS(Br)-core poly(octylfluorene)-shell nanoparticles, showed satisfactory results (such as turn-on voltage and electroluminescence in a blue region). They could be improved by replacement of the insulating PS(Br)-core of nanoparticles with other substances (semiconductive, etc.). There is still plenty of room for further development and improvement of the synthesis of poly(fluorene)-based polymer brushes. The polymer structures developed in this work can be utilized as an active layer in lab-on-chip devices. Alkyl groups in the 9th position of the poly(fluorene) monomer unit can be replaced by tailored receptors to detect specific species including small molecules, metal ions and biomolecules due to enhanced sensitivity through sensory signal amplification. Post-polymerization modifications may lead to highly water-swellable conjugated polyelectrolyte brushes. Also, polymerization of initially optically active fluorene-monomers may be the crucial step to the generation of a light source devices with a large degree of circularly polarized electroluminescence. This is of great interest for utilization as backlight for liquid crystalline displays. We believe that the utilization of covalently surface-immobilized conjugated polymers may have a great impact on the development of present-day technological processes.

Die Synthese von oberflächengepfropften Polypeptoidbürsten durch die Oberflächeninitiierte Ringoffnungspolmerisation von N-substituierten N-carboxyanhydriden wird beschrieben. Die entstehenden Schichten werden durch Zelladhäsionsexperimente und Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie auf ihre Antibiofouling-Eigenschaften untersucht. UV-Lithographie und Mikrokontaktdrucken wird zur Herstellung von strukturierten Oberflächen verwendet. Eine Funktionalisierung der Strukturen wird mit Fluoreszenzmikroskopie und Fluoreszenzmapping nachgewiesen. Ein zweiter Schwerpunkt befasst sich mit der Synthese von Kompositschichten. Oberflächengepropfte polykationische Polymerbürsten dienen als Einlagerungsmedium für negativ geladene Nanopartikel. Durch calcinieren werden poröse Schichten erhalten. Die Anwendung des Verfahrens auf ein Partikelsystem generiert poröse Core-Shell-Partikel.

Die Arbeit befasst sich mit dem chemischen Verhalten von Oberflächen an Siliciumnanopartikeln. Diese stehen in ihrer Reaktivität, aufgrund des großen Verhältnisses Oberfläche zu Volumen, zwischen einzelnen Atomen und ausgedehnten Kristallen. Durch Umsetzung mit unterschiedlich funktionalisierten Molekülen gelingt es, die Oberfläche der Partikel zu modifizieren. Dabei wurde eine neue Möglichkeit gefunden, Si-C-Bindungen auf Si-Oberflächen zu erzeugen. Die Modifizierung mit Wasserstoff (durch Behandlung mit HF) oder mit Chlor (durch Umsetzung mit Chlorierungsmitteln) schafft neue, synthetisch wertvolle Ausgangssituationen. Darauf aufbauend konnten Alkyl, Alkoxy- und Amingruppen kovalent angeknüpft werden. Die chemische Modifizierung der Nanopartikel führt zu verändertem Photoleitfähigkeits- sowie Photolumineszenzverhalten. Es wurde ein Vorschlag zur Deutung dieser Effekte entwickelt.

In the field of electronic organic materials, conjugated polymers (CPs) have attracted much attention in recent years. It has been well-established that performances of thin-film devices based on π-conjugated polymers, such as light-emitting diodes, field-effect transistors and photovoltaic cells, are strongly dependent on the organisation of the polymer molecules and their interactions with other constituents in multicomponent devices. The use of CPs in integrated circuits, solar cells, light-emitting diodes or sensors often requires their covalent fixation and patterning on various surfaces. CPs can be grafted to functionalized surfaces by (electro)chemical cross-linking; however, it is difficult to control a structural order within the cross-linked films. The attachment of CP chains to substrates by their end-points to form polymer brushes would be an interesting alternative, and could possibly be crucial for many devices requiring charge injection and charge transport processes. The main aim of this work, which was the synthesis of covalently grafted conjugated polymer brushes on solid substrates using a "grafting from" approach, was successfully performed. During the course of this work, the process of surface-initiated polycondensation was investigated. The newly developed method to selectively graft conjugated polymers from different substrates such as Si-wafers, quartz slides or modificated nanoparticles allowed us to produce different architectures which were earlier possible to prepare only non-conductive polymers. Exposure of the substrate with an activated surface layer into the monomer solution produced polymer brushes in a very economical way. Since only monomer was consumed for grafting from the surface. The grafting process was extensively investigated by different methods, and the thickness of the obtained poly(fluorene) films was elucidated by Null-ellipsometry and confirmed by the AFM scratch-test. Preliminary characteristics of the device, based on PS(Br)-core poly(octylfluorene)-shell nanoparticles, showed satisfactory results (such as turn-on voltage and electroluminescence in a blue region). They could be improved by replacement of the insulating PS(Br)-core of nanoparticles with other substances (semiconductive, etc.). There is still plenty of room for further development and improvement of the synthesis of poly(fluorene)-based polymer brushes. The polymer structures developed in this work can be utilized as an active layer in lab-on-chip devices. Alkyl groups in the 9th position of the poly(fluorene) monomer unit can be replaced by tailored receptors to detect specific species including small molecules, metal ions and biomolecules due to enhanced sensitivity through sensory signal amplification. Post-polymerization modifications may lead to highly water-swellable conjugated polyelectrolyte brushes. Also, polymerization of initially optically active fluorene-monomers may be the crucial step to the generation of a light source devices with a large degree of circularly polarized electroluminescence. This is of great interest for utilization as backlight for liquid crystalline displays. We believe that the utilization of covalently surface-immobilized conjugated polymers may have a great impact on the development of present-day technological processes.

We propose an effective strategy to engineer a unique kind of porous carbon cuboid with tightly anchored cobalt/cobalt oxide nanoparticles (PCC–CoOx) that exhibit outstanding electrochemical performance for many key aspects of lithium-ion battery electrodes. The host carbon cuboid features an ultra-polar surface reflected by its high hydrophilicity and rich surface defects due to high heteroatom doping (N-/O-doping both higher than 10 atom%) as well as hierarchical pore systems. We loaded the porous carbon cuboid with cobalt/cobalt oxide nanoparticles through an impregnation process followed by calcination treatment. The resulting PCC–CoOx anode exhibits superior rate capability (195 mA h g−1 at 20 A g−1) and excellent cycling stability (580 mA h g−1 after 2000 cycles at 1 A g−1 with only 0.0067% capacity loss per cycle). Impressively, even after an ultra-long cycle life exceeding 10 000 cycles at 5 A g−1, the battery can recover to 1050 mA h g−1 at 0.1 A g−1, perhaps the best performance demonstrated so far for lithium storage in cobalt oxide-based electrodes. This study provides a new perspective to engineer long-life, high-power metal oxide-based electrodes for lithium-ion batteries through controlling the surface chemistry of carbon host materials.

Wir stellen ein oberflächenphysikalisches Modellsystem für die inneren Oberflächen von Alumino- und sonstigen Silikaten vor. Derartige zweidimensionale Modellsysteme bieten drei Vorteile. (1) Sie eröffnen neue Ansätze zur Untersuchung komplexer Materialien unter sehr wohldefinierten Bedingungen. (2) Eigenschaften, die sonst nicht direkt experimentell zugänglich waren können nun mit den Instrumenten der Oberflächenphysik gemessen werden. So können experimentelle Referenzwerte gefunden und direkt mit quantenchemischen Resultaten verglichen werden. (3) In Bezug auf Zeolithe stellen die zweidimensionalen Aluminosilikatfilme den Grenzfall eines Zeoliths mit unendlichem Porenvolumen dar und sind als wertvolles Modell zur Untersuchung von Struktur-Reaktivitätsbeziehungen etabliert. Die Berechnungen mit periodischer DFT ermöglichen Einsichten in die relativen Stabilitäten unterschiedlicher Substitutionsmuster, die feste Säurestärke oder mögliche Reaktivität, sowie die Schwingungseigenschaften. Insgesamt stimmen die DFT-Ergebnisse sehr gut mit den experimentellen Beobachtungen überein. Die Struktur eines Ti-Silikatfilms wurde bestimmt. Sie ist ähnlich der von bekannten Phyllosilikaten, während sie interessanterweise und vielleicht entgegen der Intuition keine gleichmäßige Verteilung von Ti aufweist. Im Falle der Al-Silikatfilme wird die Annahme einer homogenen Al-Verteilung bekräftigt, obwohl die quantenchemischen Ergebnisse nicht endgültig sind. Diese Filme weisen verbrückende Hydroxylgruppen mit, im Vergleich zu bekannten Zeolithen, hoher Azidität auf, was auf eine mögliche hohe Reaktivität hinweist. Gemeinsam mit den experimentellen Resultaten werden die Al-Silikatfilme als zweidimensionale Modellsysteme für die sonst komplexen, dreidimensionalen Netzwerke von Zeolithen und substituierten Silikaten etabliert. / We propose a surface science model system for the inner surfaces of both alumino- and other silicates. Such two-dimensional model systems offer three advantages. (1) They open up new avenues to study complex materials under very well-defined conditions. (2) Properties that could previously not be accessed directly in an experimental setup can now be measured using the tools of surface science. Thus, experimental reference numbers can be found and compared directly to computational results. (3) For zeolites, the two-dimensional aluminosilicate films present the limiting case of a zeolite with infinite pore size and are a established as valuable model in investigating the structure-reactivity relationships. Density functional theory (DFT) calculations are used to propose structural models for novel ultra-thin silica films. The periodic DFT calculations give insight into the relative stability of different substitution patterns, the solid acidity or possible reactivity and the vibrational properties. Generally, the DFT results agree very well with the experimental observations. The structure of a Ti-silicate film is found to be similar to known phyllosilicates, while interestingly and maybe counter-intuitively, it has no uniform distribution of Ti. For Al-silicate films, the assumption of homogeneous distribution of Al is substantiated even though the computational results are not conclusive. These films exhibit bridging hydroxyl groups that are highly acidic compared to known zeolites, relating to possible high reactivity. In concert with the experimental results, the Al-silicate films are established as two-dimensional model systems for the otherwise complex, threedimensional frameworks of zeolites and substituted silicates.

This talk was presented in the 14th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2014) in Kyoto, Japan on 18th June 2014. Abstract Atomic Layer Deposition (ALD) is emerging as a ubiquitous method for the deposition of conformal and homogeneous ultra-thin films on complex topographies and large substrates in microelectronics. Electrochemical deposition (ECD) is the first choice for the deposition of copper (Cu) into the trenches and vias of the interconnect system for ULSI circuits. The ECD of Cu necessitates an electrically conductive seed layer for filling the interconnect structures. ALD is now considered as a solution for conformal deposition of Cu seed layers on very high aspect ratio (AR) structures also for technology nodes below 20 nm, since physical vapor deposition is not applicable for structures with high AR. Cu seed layer deposition by the reduction of Cu2O, which has been deposited from the Cu(I) β-diketonate [(nBu3P)2Cu(acac)] (1) used as Cu precursor, has been successfully carried out on different substrates like Ta, TaN, SiO2, and Ru [1, 2]. It was found that the subsequent gas-phase reduction of the Cu2O films can be aided by introducing catalytic amounts of a Ru precursor into the Cu precursor, so that metallic copper films could potentially obtained also on non-catalytic substrates [3, 4]. In this work, in situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) investigation of the surface chemistry during Cu2O ALD from the mixture of 99 mol % of 1 and 1 mol % of [Ru(η5 C5H4SiMe3)(η5-C7H11)] (2) as ruthenium precursor, and the reduction of Cu2O to metallic Cu by formic acid carried out on SiO2 substrate are demonstrated. Oxidation states of the Cu in the film are identified by comparing the Cu Auger parameter (α) [5] with literature data. α calculated after ALD equals 362.2 eV and after reduction equals 363.8 eV, comparable to the Cu2O and metallic Cu in thin-films [6] respectively. In addition, <10 % of Cu(I), Cu(II), and Cu(OH)2 species are identified from the Cu 2p3/2 and Cu L3VV Auger spectrum after reduction. Consequently, the ALD Cu2O is successfully reduced to metallic copper by in-situ thermal reduction using formic acid. [1] T. Waechtler et al., J. Electrochem. Soc., 156 (6), H453 (2009). [2] T. Waechtler et al., Microelectron. Eng., 88, 684 (2011). [3] S. Mueller et al., Conference Proceedings SCD 2011, Semiconductor Conference Dresden, pp. 1-4. [4] T. Waechtler et al., US Patent Application Publication, US 2013/0062768. [5] C. D. Wagner, Faraday Discuss. Chem. Soc., 60, 291 (1975). [6] J. P. Espinós et al., J. Phys. Chem. B, 106, 6921 (2002).