Kryptingas kietojo kūno darinių, naudojamų išorinio dujų poveikio detekcijai, savybių keitimas yra vienas iš aktualiausių uždavinių, sprendžiamų kuriant lakiųjų cheminių junginių poveikio atpažinimo ir matavimo sistemas. Šias savybes lemia darinių medžiaga, jų struktūra bei sąveikos su dujine aplinka ypatumai, kurie hibridiniuose dariniuose iš kietojo kūno ir biomolekulių gali būti lemiami dar ir biocheminiu atpažinimu. Šiame darbe tiriami dujoms jautrūs hibridiniai dariniai ir nanosistemos, integruotos metalo oksido plėvelėse, Skenuojančio zondo mikroskopijos (SZM) metodais. Disertacijoje susieti itin plonų (< 30-50 nm) SnOx sluoksnių varžos atsako į dujas bei elektrinių savybių ypatumai su sluoksnių morfologija, priklausančia nuo auginimo sąlygų ir trukmės. Eksperimentiškai įrodyta, jog SZM lokalinių srovių tyrimai, priklausomai nuo matavimo parametrų, leidžia atskirai aprašyti technologiškai keičiamas dujoms jautrių darinių charakteristikas ir tik nanosistemose vykstančius procesus, kurie, kai kuriais atvejais, gali būti stebimi ir tipiškuose dujoms jautrių darinių taikymuose. Sukurtas originalus metodas, tinkantis nanostruktūroms metalo oksidų paviršiuje formuoti bei tų struktūrų elektrinėms savybėms keisti. Skirtingai nuo literatūroje žinomo paviršiaus nanooksidinimo, pritaikyto formuoti cheminiam poveikiui atsparias dangas, mūsų metodas leidžia formuoti įvairaus elektrinio laidumo nanostruktūras metalo oksidų paviršiuje. / Modification of the properties of solid state structures, used for gas sensing is important task in making detection and measurement systems of volatile chemical compounds. These properties depend on material, inner structure and interaction with gas atmosphere. In hybrid materials (solid-biomolecular) biochemical recognition plays important role in gas sensing mechanism. In this work the methodologies of the SPM was applied for characterization of the local point and local area properties in the gas sensitive MO films with the nanoscaled thickness that can be used for nanosystems and hybrid materials in novel types of chemical detectors. In this dissertation morphology and physical properties of metal oxide films with thickness from a few to about 50 nm was investigated and described a relationship between the gas response and film thickness. It was experimentally shown that effects of external influence on the properties of the surface nanostructures can be described by the specific characteristics of the scanning probe spectroscopy displaying the dependences of the probe contact electric current on both the probe potential and the probe pressing force. An original method based on the SPM probe controlled electrical current was proposed for the formation of nanosystems with various electrical properties on the surfaces of thin MO films.

Transparent electrodes (TEs) have become important components of displays, touch screens, and solar photovoltaic (PV) energy conversion devices. As electrodes, they must be electrically conductive while being transparent. Transparent materials are normally poor conductors and materials with high electrical conductivity, such as metals, are typically not transparent. From the few candidate materials, indium tin oxide (ITO) is currently the best available, but indium is an expensive material and ITO cost has risen with increasing demand. Therefore, alternative materials or methods are sought to encourage production needs of applications and help in reducing their price. This thesis presents and discusses results of experimental work for a method, field-directed chaining, to produce a TE device which is nanowire-based, with a figure of merit FoM= 2.39 x10E-4 Ohm E-1, comparable to ITO but with potential for far lower cost. Using electric field-directed chaining, multiple parallel long chains of metal nanowires are assembled on inexpensive transparent materials such as glass by field directed nanowire chaining, using methods first demonstrated in our laboratory. In this work, we have improved the fraction of functional chains, by tuning the field/voltage, a key step in increasing the FoM and lowering the cost. The effect of operating parameters on TE optical and electrical properties has been studied and identified as well. From experiments with twenty seven substrates, each with a range of electric field and nanowire concentration, the highest light transmission achieved is 78% and the lowest sheet resistance achieved is 100 Ohm/sq. Among all the operating parameters, the electric field has the most significant influence on the fraction of nanowire chains that are functional. In the operating range of electric field strength available to us, we observed a monotonic increase in the fraction of functional nanowire chains. We found a counter-intuitive change in TE properties in a sub-range of nanowire concentration, associated with a change in the structure of chained patterns. / Graduate

Ce travail de thèse concerne l’élaboration et la caractérisation structurale de couches minces d’oxyde d’étain dopées avec des terres rares ainsi que l’étude de leurs propriétés de photoluminescence. Les couches sont dopées avec du cérium, du terbium ou de l’ytterbium. Les films sont élaborés par évaporation sous vide d’une poudre de SnO2 sur un substrat de silicium monocristallin, et nécessitent un recuit post-dépôt à 600°C à l’air pour cristalliser en phase SnO2 de type rutile. Dans une première partie du travail a consisté caractériser le matériau non dopé. La caractérisation microstructurale a révélé qu’une oxydation du substrat conduisant à une réaction entre l’oxyde d’étain et le silicium avait lieu, conduisant à une microstructure complexe. Afin de limiter les interactions chimiques, des substrats recouverts de silice thermique ont également été utilisées. Les films non dopés présentent des propriétés de luminescence, mise en évidence et discutées en lien avec la microstructure. Pour les films dopés, l’étude structurale a mis en évidence la cristallisation d’une seconde phase de SnO2 de type orthorhombique. Une étude approfondie en STEM-EELS a permis de localiser les ions de terre rare dans la couche. Enfin les propriétés de luminescence des terres rares ont été étudiées en fonction de leur concentration dans le film et de la température de recuit. Après des recuits à 700°C, les couches dopées au Tb émettent intensément dans le vert à température ambiante, ce qui pourrait être intéressant pour le développement de diodes vertes à base de SnO2 / This thesis concerns the structural characterization and the photoluminescence properties of tin oxide thin films doped with rare earths. The films are doped with cerium, terbium and ytterbium. The films were obtained by evaporation of SnO2 on silicon substrates. The as-deposited films were sub-stoichiometric and the films were then annealed in air at 600°C to reach rutile phase. The microstructural study reveals a substrate oxidation leading to a chemical reaction between tin oxide and silicon, and a complex microstructure. To limit the chemical interaction during annealing, silicon substrate coated with thermal silica were used. Undoped films show a broad luminescent band, which is discussed and linked with the microstructure. On the other hand, the structural study of doped films demonstrated the crystallization of a second phase of SnO2, which is orthorhombic. A STEM-EELS study allow to localize the rare earths ions in the films. Finally, the luminescence properties of the rare earths were study with respect to their concentration and the temperature of annealing. After annealing at 700°C, the Tb-doped films emit intensively in the green region, which might be of interest for the development of SnO2-based green light emitting diodes

Cette thèse s'inscrit dans le contexte général des efforts de recherche pour développer des supports de catalyseur résistant à la corrosion qui peuvent potentiellement remplacer le carbone dans les piles à combustible à électrolyte polymère. Des nanofibres et des nanotubes à base de TiO2 et SnO2 dopés par Nb ont été préparés par filage électrostatique et caractérisés par diffraction des rayons X, spectroscopie des photoélectrons de rayons X, spectroscopie Raman, mesures de surface spécifique et de conductivité électronique. Les nanofibres de TiO2 et SnO2 dopées par Nb présentent une conductivité et une surface spécifique supérieure à celle des oxydes non dopés. Des nanoparticules de platine ont été préparées en utilisant une méthode polyol modifié par micro-ondes, et déposées sur les supports fibreux. La caractérisation électrochimique des électrocatalyseurs ainsi obtenus a été réalisée ex situ par voltamètre en utilisant une électrode à disque tournant. Le catalyseur supporté, Pt sur SnO2 dopé par Nb présenté une stabilité électrochimique supérieure à celle d'un catalyseur Pt sur carbone commercial (Vulcan XC-72R). Une cathode Pt/Nb-SnO2 préparée par pulvérisation a pu être intégrée dans un assemblage membrane-électrode (AME) et caractérisée in situ dans une cellule de pile à combustible à électrolyte polymère. L'AME a présenté une durée de vie plus élevée mais une densité de puissance plus faible qu'un AME contenant Pt/C. Les nanotubes de SnO2 dopés par Sb ont une conductivité plus élevée que celle des matériaux dopés par Nb et lorsqu'ils sont intégrés dans une cathode, fournissent une densité de puissance accrue par rapport à une cathode à base de Nb- SnO2. / The objective of this thesis is to develop corrosion resistant catalyst support materials that can potentially replace carbon in Polymer electrolyte fuel cells. Therefore, Nb doped TiO2 and SnO2 nanofibres and nanotubes were prepared by electrospinning and characterised by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, N2 adsorption/desorption analysis and electronic conductivity measurements. The obtained Nb doped TiO2 and SnO2 one dimensional structures demonstrated higher conductivity and surface area than non-doped oxides. Pt nanoparticles were prepared using a modified microwave-assisted polyol method and deposited on the electrospun supports. Electrochemical characterisation of the obtained electrocatalysts was performed ex situ using a rotating disc electrode, and compared with a commercial carbon support (Vulcan XC-72R). Pt supported on Nb doped SnO2 provided higher electrochemical stability in comparison to Pt on carbon. Thus, a cathode of Pt/Nb-SnO2 prepared by spray-coating was integrated into Membrane Electrode Assembly (MEA) and characterised in situ in single Polymer electrolyte fuel cell. The MEA exhibited higher durability though lower power density compared to MEA with Pt/C based cathode. Sb doped SnO2 nanotubes have higher conductivity than Nb doped material and when integrated into a cathode, provided enhanced power density in comparison to Nb-SnO2 based cathode.

Carbon nanotubes (CNTs) have become one of the most interesting allotropes of carbon due to their intriguing mechanical, electrical, thermal and optical properties. The synthesis and electron emission properties of CNT arrays have been investigated in this work. Vertically aligned CNTs of different densities were synthesized on copper substrate with catalyst dots patterned by nanosphere lithography. The CNTs synthesized with catalyst dots patterned by spheres of 500 nm diameter exhibited the best electron emission properties with the lowest turn-on/threshold electric fields and the highest field enhancement factor. Furthermore, CNTs were treated with NH3 plasma for various durations and the optimum enhancement was obtained for a plasma treatment of 1.0 min. CNT point emitters were also synthesized on a flat-tip or a sharp-tip to understand the effect of emitter geometry on the electron emission. The experimental results show that electron emission can be enhanced by decreasing the screening effect of the electric field by neighboring CNTs. In another part of the dissertation, vertically aligned CNTs were synthesized on stainless steel (SS) substrates with and without chemical etching or catalyst deposition. The density and length of CNTs were determined by synthesis time. For a prolonged growth time, the catalyst activity terminated and the plasma started etching CNTs destructively. CNTs with uniform diameter and length were synthesized on SS substrates subjected to chemical etching for a period of 40 minutes before the growth. The direct contact of CNTs with stainless steel allowed for the better field emission performance of CNTs synthesized on pristine SS as compared to the CNTs synthesized on Ni/Cr coated SS. Finally, fabrication of large arrays of free-standing vertically aligned CNT/SnO2 core-shell structures was explored by using a simple wet-chemical route. The structure of the SnO2 nanoparticles was studied by X-ray diffraction and electron microscopy. Transmission electron microscopy reveals that a uniform layer of SnO2 is conformally coated on every tapered CNT. The strong adhesion of CNTs with SS guaranteed the formation of the core-shell structures of CNTs with SnO2 or other metal oxides, which are expected to have applications in chemical sensors and lithium ion batteries.

Liquid composition for antimony doped tin oxide solgel deposition was prepared. Anorganic precursors of tin and antimony were used (tin(IV) chloride, antimony(III) chloride). ATO nanoparticles were dispergated in composition. This composition was used for spincoating deposition of thin films. Composition was analyzed by thermal analysis TGA and DSC. Sheet resistence of prepared samples were examined by four probe sensing. RMS roughness and thickness was measured by profilometry. Samples were analyzed by scan electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Transmittance and haze were measured and calculated by UV-VIS spektrometry with integration sphere.

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden die physikalischen Eigenschaften, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, von Zink-Zinn-Oxid Dünnschichten sowie darauf basierenden Schottky-Dioden in Abhängigkeit von der Kationenkomposition bestimmt. Zur Herstellung dieser Dünnschichten wurde ein Verfahren genutzt, welches die Herstellung von kontinuierlichen Kompositiongradienten im Rahmen eines gepulsten Laserabscheidungsprozesses bei Raumtemperatur ermöglicht. Erster Schwerpunkt der Diskussion ist die Abhängigkeit elektrischer Eigenschaften der Dünnschichten sowie die Diodeneigenschaften vom Kationenverhältnis. Des Weiteren wird die Langzeitstabilität der Schottky-Dioden und der Einfluss der Sauerstoffzufuhr während der Kontaktherstellung auf die Eigenschaften der Schottky-Dioden herausgestellt. DieErgebnissetiefenaufgelösterRöntgenphotoelektronenspektroskopiewerden diskutiert und ein Mechanismus, welcher zu einer Verbesserung der Schottky-Dioden über die Zeit führt, wird vorgestellt. Die Erkenntnisse über die optimale Kationenkomposition und den Einfluss des Sauerstoffs auf die Eigenschaften von Schottky-Dioden wurden genutzt, um Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren herzustellen, welche im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit beschrieben werden. In einem ersten Schritt wurden hierfür die Abscheidebedingungen in der Sputterkammer optimiert und eine neue Abscheiderezeptur für die Herstellung von Feldeffekttransistoren eingeführt. Auch hier finden alle Abscheidungen bei Raumtemperatur statt. Die Abscheidung mittels Sputtern wurde gewählt, da diese Abscheidemethode größere industrielle Relevanz als die gepulste Laserabscheidung hat. Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren mit zwei verschiedenen Gate-Typen werden vorgestellt und jeweils der Einfluss der Kanalschichtdicke auf die Transistoreigenschaften untersucht. Der Einfluss des durch die Herstellung erzeugten Sauerstoffreservoirs in dem Schottky-Gate Kontakt auf die Eigenschaften der Feldeffekttransistoren wird ebenso gezeigt wie der Einfluss eines thermischen Ausheizprozesses auf die Schaltgeschwindigkeit der Feldeffekttransistoren. Außerdem werden einfache Inverter, welche auf zwei gleichartigen Feldeffekttransistoren basieren, vorgestellt. Ebenfalls werden SchottkyDioden Feldeffekttransistoren Logik basierte Inverter vorgestellt und charakterisiert. AbschließendwerdenRingoszillatoren,aufgebautausmehrereninReihegeschaltetenSchottkyDiodenFeldeffekttransistorenLogikbasiertenInverternvorgestellt. DerEinflussderKanalschichtdicke und der Gate-Geometrie auf die Oszillationsfrequenz wird diskutiert.:Contents 1 Introduction 2 Theoretical Descriptions 2.1 The Amorphous Semiconductor Zinc Tin Oxide 2.2 Schottky Barrier Diodes 2.3 Field-Effect Transistors 2.4 Inverter 2.5 Inverter Chain and Ring Oscillator 3 Methods 3.1 Growth and Structuring Techniques 3.1.1 Pulsed Laser Deposition 3.1.2 Sputtering Deposition 3.1.3 Photolithography 3.2 Characterization Techniques 3.2.1 Hall Effect Measurements 3.2.2 XRD and XRR Measurements 3.2.3 Static and Dynamic Current-Voltage Measurements 3.2.4 Further Characterization Techniques 4 Physical Properties of Amorphous Zinc Tin Oxide 4.1 Characterization of Pulsed Laser Deposited Zinc Tin Oxide Thin Films Having a Continuous Composition Spread 4.2 Properties of Schottky Barrier Diodes in Dependence on the Cation Composition 4.3 Long Term Stability of Schottky Barrier Diodes 4.4 ImportantRoleofOxygenfortheFormationofHighlyRectifyingContacts 4.5 Processes Governing the Long Term Stability 5 Demonstration and Characterization of Zinc Tin Oxide Based Devices 5.1 Implementation of a New Sputtering Recipe 5.1.1 CharacterizationandElectricalOptimizationoftheZincTinOxide Thin Films .1.2 Optimization of the Gate Contact 5.2 Devices with PtOx/Pt Gate Contact 5.2.1 Variation of the Channel Thickness 5.2.2 Influence of the Oxygen Reservoir on the Performance and Long Term Stability of Devices 5.2.3 Tuning of the Electron Mobility 5.2.4 Frequency Dependent Switching of Transistors 5.3 Devices with i-ZTO/PtOx/Pt Gate Contact 5.3.1 Transistors with Varying Channel Thickness 5.3.2 Simple Inverter 5.3.3 SDFL Inverter 5.3.4 Inverter Chain 5.3.5 Ring Oscillators 5.4 Comparison to Literature 6 Summary and Outlook Abbreviations List of Symbols Bibliography List of Own and Contributed Articles Appendix / In the first part of the present work the physical properties, especially the electrical properties, of zinc tin oxide thin films as well as Schottky diodes based thereon are determined as a function of the cation composition. For film growth, a room temperature pulsed laser deposition process was used, which allows the realization of a continuous composition gradient within one sample. First focus of the discussion is the dependence of electrical properties of thin films as well as diode properties on the cation ratio. Furthermore, the long-term stability of the Schottky diodes and the influence of the oxygen supply during contact fabrication on the properties of the Schottky diodes are highlighted. The results of depth-resolved Xray photoelectron spectroscopy measurements are discussed and a mechanism leading to an improvement of the Schottky diodes over time is elucidated. The findings on the optimal cation composition and the influence of oxygen on the properties of Schottky diodes were used to produce metal-semiconductor field-effect transistors, which are described in the second part of this thesis. In a first step, the deposition conditions in the sputter chamber were optimized and a new deposition recipe for the fabrication of field effect transistors was developed. Here, too, all depositions take place at room temperature. Sputter deposition was chosen because this deposition method has greater industrial relevance than pulsed laser deposition. Metal-semiconductor field-effect-transistors with two different gate types are presented and the influence of the channel layer thickness on the transistor properties is investigated. The influence of the oxygen reservoir in the Schottky gate contact on the properties of the field-effect-transistors is shown as well as the influence of a thermal annealing process on the switching speed of the field-effect-transistors. In addition, simple inverters based on two identical field-effect-transistors are demonstrated. Also Schottky diode field-effect-transistor logic based inverters are presented and characterized. Finally, ring oscillators consisting of several series-connected Schottky diode field-effecttransistor logic based inverters are presented. The influence of channel layer thickness and gate geometry on the oscillation frequency is discussed.:Contents 1 Introduction 2 Theoretical Descriptions 2.1 The Amorphous Semiconductor Zinc Tin Oxide 2.2 Schottky Barrier Diodes 2.3 Field-Effect Transistors 2.4 Inverter 2.5 Inverter Chain and Ring Oscillator 3 Methods 3.1 Growth and Structuring Techniques 3.1.1 Pulsed Laser Deposition 3.1.2 Sputtering Deposition 3.1.3 Photolithography 3.2 Characterization Techniques 3.2.1 Hall Effect Measurements 3.2.2 XRD and XRR Measurements 3.2.3 Static and Dynamic Current-Voltage Measurements 3.2.4 Further Characterization Techniques 4 Physical Properties of Amorphous Zinc Tin Oxide 4.1 Characterization of Pulsed Laser Deposited Zinc Tin Oxide Thin Films Having a Continuous Composition Spread 4.2 Properties of Schottky Barrier Diodes in Dependence on the Cation Composition 4.3 Long Term Stability of Schottky Barrier Diodes 4.4 ImportantRoleofOxygenfortheFormationofHighlyRectifyingContacts 4.5 Processes Governing the Long Term Stability 5 Demonstration and Characterization of Zinc Tin Oxide Based Devices 5.1 Implementation of a New Sputtering Recipe 5.1.1 CharacterizationandElectricalOptimizationoftheZincTinOxide Thin Films .1.2 Optimization of the Gate Contact 5.2 Devices with PtOx/Pt Gate Contact 5.2.1 Variation of the Channel Thickness 5.2.2 Influence of the Oxygen Reservoir on the Performance and Long Term Stability of Devices 5.2.3 Tuning of the Electron Mobility 5.2.4 Frequency Dependent Switching of Transistors 5.3 Devices with i-ZTO/PtOx/Pt Gate Contact 5.3.1 Transistors with Varying Channel Thickness 5.3.2 Simple Inverter 5.3.3 SDFL Inverter 5.3.4 Inverter Chain 5.3.5 Ring Oscillators 5.4 Comparison to Literature 6 Summary and Outlook Abbreviations List of Symbols Bibliography List of Own and Contributed Articles Appendix

>Magister Scientiae - MSc / This study explores the use of UV-assisted reduction method to synthesise the catalysts, aiming at reducing synthesis time. The Pd and Au catalyst loading is kept at 5 wt% in order to reduce the cost associated with high loading (20 wt%) of platinum group metals. The synthesised catalysts have SnO2 incorporated in them for two purposes, one being to activate the chemical reaction by absorbing UV-light and the second one is to serve as a promoter for binary and ternary catalysts. All the synthesised electrocatalysts in this study were denoted as Au/10wt%SnO2-C, Au/15wt%SnO2-C, Au/20wt%SnO2-C, Au/40wt%SnO2-C, Au/60wt%SnO2-C, Pd/10wt%SnO2-C, Pd/15wt%SnO2-C, Pd/20wt%SnO2-C, Pd/40wt%SnO2-C, Pd/60wt%SnO2-C and PdAu/10wt%SnO2-C respectively. The UV-assisted reduction method was proved to be effective with the obtained results from TEM, SEM, XRD and electrochemical studies. TEM micrographs revealed nanoparticles of Pd, Au and SnO2 which were proved by the measured d-spacing values corresponding to the element’s structures. The measured average particle size ranged from 3.05 to 14.97 nm for the electrocatalysts. The XRD profiles confirmed the face centred cubic of Pd, Au and tetragonal structures of SnO2. These electrocatalysts showed varied activity towards the oxidation of alcohols namely, methanol, ethanol, ethylene glycol and glycerol in alkaline electrolyte The cyclic voltammetry results showed improved performance towards the oxidation of glycerol on Au-based electrocatalysts, highest current density of 22.08 mA cm-2 than on Pd-based electrocatalysts. Pd-based electrocatalysts were more active towards the oxidation of ethanol than Au-based electrocatalysts with the highest current density of 19.96 mA cm-2. The co-reduced PdAu on 10wt%SnO2-C electrocatalysts showed the lowest current density of 6.88 mA cm-2 for ethanol oxidation when compared to Pd/10wt%SnO2-C and Au/10wt%SnO2-C. Linear sweep voltammograms showed more negative onset potentials on Pd-based electrocatalysts than Au-based electrocatalysts. The more negative onset potential obtained on Pd-based electrocatalysts was observed for ethanol oxidation. These results correspond to the trend observed in literature for ethanol oxidation being more favoured on Pd-based electrocatalysts whereas the polyalcohol oxidation is more favoured on Au-based electrocatalysts. The best performing and most stable electrocatalyst among the Au-based electrocatalysts is Au/10wt%SnO2-C and Pd/10wt%SnO2-C for the Pd-based electrocatalysts.

Halbleiter-Gassensoren auf der Basis von Zinnoxid spielen in der Überwachung, Steuerung und Regelung von Prozessen sowie bei der Kontrolle von Umweltparametern eine wachsende Rolle. Dies liegt daran, dass sie kostengünstig und hoch sensitiv für diverse Gase sind. Der mögliche Anwendungsbereich wird jedoch durch ihre geringe Selektivität eingeschränkt. Daher stellt die Steigerung der Sensitivitäten von SnO2-Sensoren eine bleibende Forderung an die Forschung und Entwicklung dar. In der Literatur werden verschiedene Methoden zur Beeinflussung von Sensitivität und Selektivität beschrieben. Am weitesten verbreitet sind insbesondere die Modifizierung der Betriebsweise und die Veränderung der Zusammensetzung der Zinnoxidschichten. Diese beiden Wege wurden auch in dieser Arbeit beschritten. Zum einen wurde der thermozyklische Betrieb, der gegenüber dem isothermen bereits zu einer Verbesserung der Selektivität geführt hat, systematisch untersucht. Dies erlaubt die Leistungsfähigkeit des thermozyklischen Verfahrens zu optimieren und noch ungeklärte Phänomene des Detektionsprozesses besser zu beschreiben. Zum anderen waren Modifizierungen der Zinnoxidschicht durch Zusatz fester Ionenleiter Gegenstand detaillierter Untersuchungen. Zusätze von Materialien dieses Typs führen ebenso wie Änderungen im Betriebsmodus zu Selektivitätssteigerungen, insbesondere gegenüber Gasen mit bestimmten funktionellen Gruppen, z.B. primären Alkoholen. Folgende Erkenntnisse wurden in dieser Arbeit erlangt: ·        Thermozyklischer Betrieb Der thermozyklische Betrieb führt zu charakteristischen Leitwert-Zeit-Profilen (LZP). Die Form der LZP (Profilstruktur) ist vom Betriebsregime wie der Aufheiz- und Abkühlungsgeschwindigkeit (Temperaturrate), dem Volumenstrom des Messgases, der Schichtdicke der sensitiven Schicht, dem Elektrodenmaterial und vor allem aber von der Art und Konzentration der Gaskomponente sowie dem Feuchtegehalt des Messgases abhängig. Der Temperaturrate kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Sie beeinflusst die gasspezifischen nicht-stationären Nichtgleichgewichte an der Sensoroberfläche und somit die LZP sowie die Sensitivitäten. Die Sensitivität kann aus den Sensorsignalen (LZP) als Summenparameter für Temperaturzyklen bestimmt werden. Sie lässt sich als mittlere relative Leitwertänderung bei Gasexposition definieren. Ebenso repräsentativ für die gassensitiven Eigenschaften sind Vorfaktor und Exponent (Sensitivitätskoeffizienten A´ und b´) der aus der Konzentrationsabhängigkeit der Leitwertssumme bestimmbaren Potenzfunktion. Da sich jedoch bereits kleinste Mengen an Reaktanten auf das in Luft bestimmte Leitwert-Zeit-Profil signifikant auswirken und daher diese Profile streuen, ist die Darstellung der Parameter der Potenzfunktion und die Bestimmung der Sensitivität als relative Leitwertänderung in Bezug auf eine definierte geringe Gaskonzentration generell zu bevorzugen. Es wurde exemplarisch gezeigt, dass die unter thermozyklischen Bedingungen ermittelten Sensitivitäten gegenüber CO, Propylen sowie Propanol größer sind als die unter isothermen Betriebsbedingungen bestimmten. Der Zusammenhang von Sensitivität und Schichtdicke ist für verschiedene Gase unterschiedlich ausgeprägt. Profilform und Schichtdicken sind nur selten korrelierbar. Abhängigkeiten der spezifischen Größen der LZP-Maxima (Temperatur, Leitwert) von der Schichtdicke wurden nur für Propylen gefunden. Durch die gezielte Variation von Parametern lassen sich indirekt Schlüsse über die Wechselwirkungen und Mechanismen in porösen gassensitiven Schichten ziehen. Dominierende Effekte von Ad- und Desorption bzw. der Reaktion sowie der Diffusion von Gaskomponenten können in Bezug zueinander gesetzt werden. ·        Gassensitive Eigenschaften von SnO2/NASICON-artigen Kompositen Komposite aus SnO2 und NASICON, bei denen das Na+ im NASICON gegen Li+ oder K+ ausgetauscht wurde, haben eine ähnliche Wirkung auf Sensitivität und Selektivität wie die mit Na+. Die Ergebnisse erweitern die in der Literatur beschriebenen Kenntnisse zur Wirkung ionisch leitender Kompositzusätze. Die Einflüsse der Zusätze sind sowohl durch die LZP als auch durch die daraus berechneten Sensitivitäten bzw. Sensitivitätskoeffizienten A´ und b´ darstellbar. Starke Sensitivitätssteigerungen gegenüber primären Alkoholen wurden für steigende Anteile der Alkaliionen in den Kompositen festgestellt. Dagegen ist die Sensitivität gegenüber sekundären Alkoholen bei Kompositschichten im Vergleich zu reinen SnO2-Schichten kaum verändert. Die für 1- und 2-Propanol im thermozyklischen Betrieb gefundenen Sensitivitäten sind in der Tendenz mit denen unter isothermen Betriebsbedingungen erlangten vergleichbar. ·        Einfluss der Elektroden Es wurden Hinweise darauf gefunden, dass bereits in der Literatur diskutierte Einflüsse der Elektroden auf die gassensitiven Eigenschaften im isothermen Betrieb von SnO2-Schichten auch im thermozyklischen Betrieb auftreten. Weiterhin beeinflusst die Art des Elektrodenmaterials, z.B. Gold und Platin sowie das Ausgangsmaterials zur Elektrodenherstellung spezifisch die Sensorsignale im thermozyklischen Betriebsverfahren. Die Einflüsse der Elektroden sind nicht nur gasspezifisch, sondern bewirken auch Unterschiede je nach verwendeter gassensitiver Schicht. Dabei können LZP, abhängig vom Gas, maßgeblich von der Elektrode oder den Schichtzusätzen beeinflusst sein. ·        Diffuse Reflexion Infrarot Fourier-Transformations Spektroskopie (DRIFTS) Isotherme Messungen der Diffusen Reflexion Infrarot Fourier-Transformations Spektroskopie (DRIFTS) in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Gasphase und des gassensitiven Schichtmaterials sind geeignet, um adsorbierte Oberflächenspezies zu detektieren und Vorstellungen bezüglich der Oberflächenprozesse zu erlangen. DRIFTS-Untersuchungen in Luft mit verschiedenen Konzentrationen weisen auf eine höhere Reaktivität des 1-Propanol mit adsorbierten HO-Gruppen verglichen mit der des 2-Propanol hin. Die Ergebnisse deuten zudem an, dass sich die Oberflächenprozesse an SnO2/NASICON(x=3)-Kompositen von denen der reinen SnO2-Schicht unterscheiden, auch wenn sich diese jeweils unabhängig von der Art des Alkohols zeigen.

The present thesis addresses a sustainable approach to mechanically flexible and transparent electronic devices based on the amorphous oxide semiconductor zinc tin oxide (ZTO) as abundant and low-cost alternative to already industrially established materials such as amorphous indium gallium zinc oxide. ZTO thin films are deposited by radio frequency long-throw magnetron sputtering at room temperature to generally enable the implementation of common photolithography processes and further facilitate patterning of digital circuit elements on thermally unstable organic substrates. Starting with the most basic device building blocks of integrated circuitry, various types of field-effect transistors are fabricated by implementation of amorphous ZTO as active channel material. Metal-semiconductor field-effect transistors and pn heterodiode based junctions field-effect transistors as well as conventional metal-insulatorsemiconductor field-effect transistors are then compared regarding their electrical performance and long-term stability over a couple of months. A decisive step toward the successful interconnection of fundamental digital circuit elements, such as previously demonstrated simple inverters, is to ensure sufficient output level compatibility between the signals of associated logic components. Accordingly, the Schottky diode field-effect transistor logic approach is adapted for amorphous ZTO based devices in order to facilitate cascading of multiple inverters consisting of unipolar devices. Field-effect transistor properties as well as the circuit design have been continuously improved to enhance the overall performance in terms of functionality and low-voltage operation. Corresponding logic inverters are finally integrated in ring oscillator circuits to gain insights into the dynamic properties of digital circuit building blocks based on amorphous ZTO. Ultimately, ZTO has been fabricated on mechanically flexible polyimide substrates to determine the elastic and electrical properties of amorphous ZTO thin films in dependence on external tensile and compressive stress induced by mechanical bending. Further, associated flexible metal-semiconductor field-effect transistor are investigated regarding their performance stability under tensile strain. / Die vorliegende Arbeit umfasst die Herstellung und Charakterisierung aktiver elektrischer Bauelemente und integrierter Schaltkreise auf Basis des amorphen Oxidhalbleiters Zink-Zinnoxid (ZTO). Als vielversprechende nachhaltige und kostengünstigere Alternative zu dem bereits industriell etablierten Halbleiter Indium-Gallium-Zinkoxid wird insbesondere die Eignung von ZTO in optisch transparenter sowie mechanisch flexibler Elektronik untersucht. Um entsprechend Kompatibilität mit thermisch instabilen organischen Substraten sowie herkömmlichen Fotolithografieverfahren zu gewährleisten, beschränkt sich die Züchtung von ZTO-Dünnfilmen mittels Hochfrequenz-Magnetron-Distanzkathodenzerstäubung ausschließlich auf Herstellungsprozesse bei Raumtemperatur. Zunächst wird auf die Umsetzung verschiedener Feldeffekttransistor-Typen auf Basis amorphen ZTOs eingegangen, welche elektrisch charakterisiert und schließlich vor dem Hintergrund der Anwendung in integrierten Schaltkreisen vergleichend gegenübergestellt werden. Neben konventionellen Metall-Isolator-Halbleiterstrukturen wird vor allem näher auf Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sowie Sperrschicht-Feldeffekttransistoren auf der Grundlage von pn-Heteroübergängen eingegangen, da diese hauptsächlich in Bereichen hoher geforderter Schaltfrequenzen zum Einsatz kommen. Da integrierte Schaltkreise auf Basis unipolarer Feldeffekttransistoren eines Ladungsträgertyps inkonsistente Signaleingangs- sowie -ausgangspegel aufweisen, wird die Schottky- Dioden-Transistorlogik adaptiert, um entsprechend die Verknüpfung mehrerer Logikgatter auf Basis amorphen ZTOs zu gewährleisten. Durch geeignete Signalrückkopplung werden komplexere Schaltungen wie Ringoszillatoren realisiert, welche anhand von Laufzeitanalysen Aufschluss über die Schaltgeschwindigkeit ZTO basierter Feldeffekttransistoren geben. Abschließend werden amorphe ZTO-Dünnfilme auf flexiblen Polyimid-Substraten hergestellt und bezüglich der elastischen sowie elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von exzessivem mechanischen Stress untersucht. Darüber hinaus werden flexible Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren hinsichtlich ihrer Funktionalität und Stabilität gegenüber durch Biegeprozesse induzierte Verspannungen elektrisch charakterisiert.