Using photoelectron spectroscopy, we show measurements of energy level alignment of organic semiconducting layers. The main focus is on the properties and the influence of doped layers. The investigations on the p-doping process in organic semiconductors show typical charge carrier concentrations up to 2*10E20 cm-3. By a variation of the doping concentration, an over proportional influence on the position of the Fermi energy is observed. Comparing the number of charge carriers with the amount of dopants present in the layer, it is found that only 5% of the dopants undergo a full charge transfer. Furthermore, a detailed investigation of the density of states beyond the HOMO onset reveals that an exponentially decaying density of states reaches further into the band gap than commonly assumed. For an increasing amount of doping, the Fermi energy gets pinned on these states which suggests that a significant amount of charge carriers is present there. The investigation of metal top and bottom contacts aims at understanding the asymmetric current-voltage characteristics found for some symmetrically built device stacks. It can be shown that a reaction between the atoms from the top contact with the molecules of the layer leads to a change in energy level alignment that produces a 1.16eV lower electron injection barrier from the top. Further detailed investigations on such contacts show that the formation of a silver top contact is dominated by diffusion processes, leading to a broadened interface. However, upon insertion of a thin aluminum interlayer this diffusion can be stopped and an abrupt interface is achieved. Furthermore, in the case of a thick silver top contact, a monolayer of molecules is found to float on top of the metal layer, almost independent on the metal layer thickness. Finally, several device stacks are investigated, regarding interface dipoles, formation of depletion regions, energy alignment in mixed layers, and the influence of the built-in voltage. We show schematic energy level alignments of pn junctions, pin homojunctions, more complex pin heterojunctions with Zener-diode characteristics, as well as a complete OLED stack. The results allow a deeper insight in the working principle of such devices. / Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie werden in der vorliegenden Arbeit Energieniveaus an Grenzflächen von organischen Halbleitern untersucht, wobei ein Hauptaugenmerk auf dem Einfluss und den Eigenschaften dotierter Schichten liegt. Bei der Untersuchung grundlegender Eigenschaften eines p-dotierten organischen Halbleiters können Ladungsträgerkonzentrationen bis zu 2*10E20 cm-3 nachgewiesen werden. Eine Variation der Dotierkonzentration zeigt einen überproportionalen Einfluss der Ladungsträger auf die Position des Ferminiveaus verglichen mit Experimenten an anorganischen Schichten. Durch den Vergleich mit der Anzahl Dotanden in der Schicht kann gezeigt werden, dass dabei nur etwa 5% der Dotanden einen vollständigen Ladungstransfer eingehen. Eine detaillierte Untersuchungen der Zustandsdichte jenseits des HOMOs (Highest Occupied Molecular Orbital) zeigt, dass die exponentiell abfallende Flanke der Zustandsdichte weiter in die Bandlücke hineinreicht als üblicherweise angenommen. Das Ferminiveau erfährt bei steigender Dotierung ein Pinning an diesen Zuständen, was für eine signifikante Ladungsträgerkonzentration spricht. Weiterhin wurden Untersuchungen zu Metal Top- und Grundkontakten durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass die Ursache für die Entstehung unsymmetrischer Strom-Spannungskurven, trotz eines symmetrischen Probenaufbaus, an einer Reaktion zwischen dem Molekül und den Metallatomen liegt. Dadurch entsteht eine um 1.16eV reduzierte Injektionsbarriere für Elektronen am Topkontakt. Weitere detaillierte Untersuchungen an diesen Topkontakten zeigen, dass im Falle von Silber als Metall diese Grenzfläche von Diffusionsprozessen dominiert ist. Im Gegensatz dazu zeigt das unedle Metall Aluminium keine Diffusion und führt zu abrupten Grenzflächen. Im ersten Fall kann zudem eine Monolage vom Molekül auf dem Metallkontakt nachgewiesen werden, die unabhängig von der Metalldicke aufschwimmt. Zuletzt werden Bauelemente oder Teile solcher mit Photoelektronenspektroskopie vermessen. Hierbei werden die Grenzflächendipole, die Ausbildung von Verarmungszonen, die Energieangleichung in Mischschichten und der Einfluss der Eingebauten Spannung untersucht. Es können die Banddiagramme von pn-Übergängen, einfachen pin Homoübergängen, komplexeren pin Heteroübergänge mit Zener-Dioden Verhalten sowie eine gesamte OLED gezeigt werden. Die Ergebnisse erlauben einen tieferen Einblick in die Arbeitsweise solcher Bauelemente.

Title: Study of cerium oxide thin films for biosensing applications Author: Yuliia Kosto Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: Prof. RNDr. Vladimír Matolín, DrSc. Abstract: The presented scientific work was conducted in two main directions. The first one is an investigation of the simple biomolecules (glycine and sarcosine) bonding to cerium oxide model films by surface science techniques: photoelectron and near-edge X-ray absorption spectroscopies. Adsorption chemistry and thermal stability of the molecules on the oxides were studied in relation to the oxidation state of ceria cations, film morphology, and molecular deposition method. The oxygen vacancies in the oxide were shown to affect the adsorption geometry of glycine and stimulate molecular decomposition. The polycrystalline oxide morphology provided stabilizing effect on the glycine adlayer. Sarcosine deposited in vacuum formed densely packed adlayer with the molecules directed outwards. Interestingly, the results revealed that molecular film deposited from the aqueous solution, in contrast to deposition in vacuum, induces continuous reduction of the cerium oxide during thermal annealing. The second part is a study of polycrystalline cerium oxide thin films as an electrode for electrochemical and electrochemiluminescent...

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Theorie der spinpolarisierten Core-Level Spektroskopie für Photo- und Auger-Elektronen entwickelt, die die Berechung von Photoemissionsspektren (XPS) und Auger-Spektren (AES) komplexer einkristalliner Festkörper ermöglicht. Die Photoemissionstheorie basiert auf dem Einstufenmodell nach Pendry, stellt jedoch eine vollrelativistische Verallgemeinerung dar, mit der z.B. auch ferromagnetische Systeme untersucht werden können. Der implementierte Formalismus wird verwendet, um unterschiedliche Systeme zu untersuchen. Zunächst wird die Möglichkeit erörtert, Photoelektronenbeugung zu simulieren. Dies geschieht am Beispiel einer Ni100-Oberfläche. Weiterhin werden die verschiedenen Arten des magnetischen Dichroismus erörtert und am Beispiel von Fe-2p und Fe-3p XPS-Spektren diskutiert. Eine letzte Anwendung beschäftigt sich mit komplexeren, ferromagnetischen Strukturen, sogenannten Heusler-Legierungen. Bei den untersuchten Systemen handelt es sich um Mn-basierte Heusler-Legierungen, die einen ferromagnetischen Grundzustand besitzen. In diesen Systemen ist die Austauschaufspaltung in den Core Niveaus so groß, daß sie experimentell aufgelöst werden kann. Die entsprechenden Rechnungen zeigen eine starke Abhängigkeit der Spektrenform von der Richtung der magnetischen Feldachse. Sämtliche Rechungen werden mit experimentellen Daten verglichen und zeigen eine sehr gute Übereinstimmung. In einem zweiten Teil der Arbeit wird ein Formalismus zur Beschreibung des Auger-Prozesses entwickelt. Erste Anwendungen auf einfache Systeme (Pd, Cd, Ag) zeigen auch hier eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen.

Die hier untersuchten Heusler Legierungen sind ternäre intermetallische Verbindungen mit der chemischen Formel X2YZ. Sie wurden schon 1903 von F. Heusler entdeckt und erfreuen sich aufgrund ihrer besonderen magnetischen und elektronischen Eigenschaften eines großen Interesses. Eigenschaften sind z. B. ein großer magneto-optischer Kerr Effekt oder das HMF (Halb-Metallisch-Ferromagnetische)-Verhalten einiger Heusler Legierungen. Aufgrund der großen Anzahl möglicher Heusler Legierungen beschränkt sich diese Arbeit auf die Legierungen, die als Y-Element das Mangan besitzen. Das Interessante an diesen Legierungen ist die Bildung von lokalen magnetischen Momenten an den einzelnen Atomen, wobei das größte Moment von ca. 4 Magneton Bohr am Manganatom selbst sitzt. Diese Heusler Legierungen werden oft als ideale Modellsubstanzen für die Ausbildung und Kopplung von lokalen Momenten angesehen. Trotz großer industrieller Anwendungsmöglichkeiten und langer intensiver experimenteller und theoretischer Untersuchungen ist es bisher nicht gelungen, ein geschlossenes Bild der elektronischen und magnetischen Eigenschaften zu erreichen. So ist die Untersuchung der Heusler Legierungen durch die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) in dieser Arbeit ein wichtiger Aspekt. Mit dieser etablierten und bewährten Untersuchungsmethode werden die elektronischen Zustände, die für ein physikalisches Verständnis der magnetischen Eigenschaften entscheidend sind, sowohl im Valenzband- als auch im Rumpfniveau-Bereich qualitativ und quantitativ untersucht. Die durch das Heusler-Projekt ermöglichte enge Zusammenarbeit mit der Theorie läßt durch Vergleiche der experimentellen Daten mit den Rechnungen eine detaillierte Interpretation der Ergebnisse zu. Obwohl XPS ein Methode zur Untersuchung der direkten elektronischen Eigenschaften ist, steht in diesen Messungen das magnetische Verhalten der Heusler Legierungen stark im Vordergrund. Dabei werden neue Erkenntnisse zur Interpretation der magnetischen Eigenschaften in XPS Spektren angewandt, die auf einer mikroskopischen Beschreibung des Magnetismus basieren. Desweiteren stehen Röntgenemissions-Spektren zur Verfügung, die eine Bestimmung der partiellen Zustandsdichten im Valenzband möglich machen. Um die magnetischen Eigenschaften auf mikroskopischer Ebene genauer zu untersuchen, werden MCD (Magnetic Circular Dichroism) Messungen durchgeführt. Dabei kann bei den Absorptionsmessungen auf ein bewährtes theoretisches Modell, den Summenregeln von Thole und Carra, zurückgegriffen werden, das auch schon bei ähnlich komplizierten Materialien Anwendung fand. Bei den Emissionsmessungen im weichen Röntgenlichtbereich hingegen liegt eine solche Theorie nicht vor, was einerseits die Interpretation schwierig machen andererseits neue Erkenntnisse bringen kann. Durch diese Kombination von neueren und etablierten einerseits und elektronischen und magnetischen Untersuchungsmethoden andererseits ist somit ein großer, für das physikalische Verständnis wichtiger Bereich der Heusler Legierungen abgedeckt.

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This dissertation tested the hypothesis that energy transferred from a plasma or plume can be used to optimize the structure, chemistry, topography, optical and electrical properties of pulsed laser deposited and sputtered thin-films of ZnO, a-BOxNy, and few layer 2H-WS2 for transparent electronics devices fabricated without substrate heating or with low substrate heating. Thus, the approach would be compatible with low-temperature, flexible/bendable substrates. Proof of this concept was demonstrated by first optimizing the processing-structure-properties correlations then showing switching from accumulation to inversion in ITO/a-BOxNy/ZnO and ITO/a-BOxNy/2H-WS2 transparent MIS capacitors fabricated using the stated processes. The growth processes involved the optimization of the individual materials followed by growing the multilayer stacks to form MIS structures. ZnO was selected because of its wide bandgap that is transparent over the visible range, WS2 was selected because in few-layer form it is transparent, and a-BOxNy was used as the gate insulator because of its reported atomic smoothness and low dangling bond concentration. The measured semiconductor-insulator interfacial trap properties fall in the range reported in the literature for SiO2/Si MOS structures. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Hall, photoluminescence, UV-Vis absorption, and X-ray diffraction (XRD) measurements investigated the low-temperature synthesis of ZnO. All films are nanocrystalline with the (002) XRD planes becoming more prominent in films grown with lower RF power or higher pressure. Low power or high chamber pressure during RF magnetron sputtering resulted in a slower growth rate and lower energetic conditions at the substrate. Stoichiometry improved with RF power. The measurements show a decrease in carrier concentration from 6.9×1019 cm-3 to 1.4×1019 cm-3 as power increased from 40 W to 120 W, and an increase in carrier concentration from 2.6×1019 cm-3 to 8.6×1019 cm-3 as the deposition pressure increased from 3 to 9 mTorr. The data indicates that in the range of conditions used, bonding, stoichiometry, and film formation are governed by energy transfer from the plasma to the growing film. XPS characterizations, electrical measurements, and atomic force microscopy (AFM) measurements reveal an increase in oxygen concentration, improved dielectric breakdown, and improved surface topography in a-BOxNy films as deposition pressure increased. The maximum breakdown strength obtained was ~8 MVcm-1, which is comparable to a-BN. Metal-Insulator-Metal (MIM) structures of a-BOxNy grown at 10 and 15 mTorr suggest a combination of field-enhanced Schottky emission and Frenkel-Poole emission are likely transport mechanisms in a-BOxNy. In comparison, better fitted data was gotten for field enhanced Schottky emission which suggests the more dominant mechanism. The static dielectric constant range is 3.26 – 3.58 for 10 and 15 mTorr films. Spectroscopic ellipsometry and UV-Vis spectroscopy measured a bandgap of 3.9 eV for 15 mTorr grown a-BOxNy. 2H-WS2 films were grown on both quartz and a-BOxNy which revealed that the XRD (002) planes became more prominent as substrate temperature increased to 400 oC. AFM shows nano-grains at lower growth pressure. Increasing the growth pressure to 1 Torr resulted in the formation of larger particles. XPS chemical analysis reveals improved sulfur to tungsten ratios as pressure increased. Sulfur deficient films were n-type, whereas sulfur rich conditions produced p-type films. Frequency dependent C-V and G-V measurements revealed an interface trap concentration (Nit) of 7.3×1010 cm-2 and interface state density (Nss) of 7.5×1012 eV-1cm-2 for the transparent ITO/a-BOxNy/ZnO MIS structures, and approximately 2 V was required to switch the a-BOxNy/ZnO interface from accumulation to inversion. Using 2H-WS2 as the channel material, the ITO/a-BOxNy/2H-WS2 required approximately 4 V to switch from inversion to accumulation in both n and p-channel MIS structures. Interface trap concentrations (Nit) of 1.6×1012 cm-2 and 3.2×1010 cm-2, and interface state densities (Nss) of 1.6×1012 eV-1cm-2 and 6.5×1012 eV-1cm-2 were calculated for n and p-channel 2H-WS2 MIS structures, respectively. The data from these studies validate the hypothesis and demonstrate the potential of ZnO, a-BOxNy, and few layer 2H-WS2 for transparent electronics.

The main automotive catalytic media, precious metal-doped ceria-zirconia oxides, fundamental system character is unknown. Understanding the catalytic system properties should allow for the production of an optimal model catalyst. This goal of this study is to gain understanding of ceria-zirconia-palladium systems and to determine a reproducible method for preparing catalysts with minimal surface-carbon. This study investigates ceria-zirconia-palladium catalyst preparation via aqueous chemistry methods and a sputter deposition technique for doping ceria-zirconia oxide mixtures. Prepared catalysts are characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM). XPS allows the surface species, after catalyst doping and annealing, to be evaluated. Prepared catalyst EM analysis allows for surface morphology and particle characteristic evaluation. Prepared catalysts are exposed to UHV conditions, palladium sputtered-coated, and annealed at various temperatures. Temperature dependency is observed in both percentage of carbon, metal, and oxygen species present. This study led to a reproducible, low-carbon content, doping method for use in future pollutant reaction studies.

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Recent developments of X-ray photoelectron spectroscopy using excitation energies different from the usual lab-sources Mg Kα and Al Kα, thus covering larger and different kinetic energy ranges, require more flexible approaches for determining the transmission function than the well-established ones using reference spectra. Therefore, the approach using quantified peak areas (QPA) was refined allowing a more precise estimation of the transmission function. This refinement was tested by comparing the results obtained with the new version with former calculations. Furthermore, the obtained transmission function was validated by comparing the results with a transmission function using the reference spectrum of polyethylene. Additionally, an ionic liquid was used as reference for estimating the transmission function at the energyresolved HE-SGM beamline at BESSY II. Comparison between the measured and stoichiometric composition shows that a transmission function was determined, which allows a reasonable quantification.