Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern über raumladungszonenspektroskopische Methoden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Detektion von elektronisch und optisch aktiven Defektzuständen in solchen Materialien. Die Experimente wurden exemplarisch an dem II-VI Halbleiter Zinkoxid (ZnO) durchgeführt, welcher inform von Volumenkristallen, Mikronadeln und Dünnfilmen zur Verfügung stand. Raumladungszonen wurden über Schottky-Kontakte realisiert. Nach einer Einführung in die Theorie der Raumladungszonenspektroskopie wird ein Überblick über Defekte in verschiedenartig gezüchteten ZnO gegeben. Dazu werden die Standardverfahren Strom-Spannungs-Messung, Kapazitäts-Spannungs-Messung, Thermische Admittanz- Spektroskopie (TAS) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) verwendet. Ergänzend wurden die auf weitbandlückige Halbleiter ausgelegten Verfahren Low Rate Deep Level Transient Spectroscopy (LR-DLTS) und Deep Level Optical Spectroscopy (DLOS) eingesetzt, mit welchen es möglich ist Defektzustände in der gesamten Bandlücke von ZnO nachzuweisen. Für die untersuchten Störstellenniveaus konnten somit die thermische Aktivierungsenergie, Einfangquerschnitte freier Ladungsträger und Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Typischerweise werden tiefe Defekte durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen erzeugt. Derartige Behandlungen wurden an binären ZnO- und ternären (Mg,Zn)ODünnfilmen durchgeführt, wobei die Generationsrate eines Defektes über Variation der verwendeten Strahlungsdosis bestimmt wurde. Ionenimplantationen spielen eine große Rolle im Herstellungsprozess von Bauelementen, sind jedoch für ZnO nicht etabliert. Die Auswirkung der Implantation von inerten Argon-Ionen, sowie die nachträgliche thermische Behandlung auf die Konzentration intrinsischer Defekte wurde untersucht. Zink- und Sauerstoff-Implantationen bewirken, neben der Generation von Defekten, eine lokale Änderung der Stöchiometrie. Durch einen Vergleich der Defektkonzentrationen nach Zn-, O-, Ne- und Ar-Implantation können Rückschlüsse auf die chemische Natur intrinsischer Defekte geschlossen werden.

Thin silver films are widely used in low-emissivity coatings for building glazing due to their high reflectance in the infrared and high transmittance in the visible spectrum. The determining parameter for the infrared reflectance is the electrical conductance of the layer stack - the better the conductance the higher the reflectance. Electrically conductive films of thicknesses smaller than the electron mean free path exhibit a strong increase in the residual resistivity proportional to the inverse of the film thickness. Despite intensive discussions, which have extended over tens of years, it is not understood yet if this conductive behavior originates from electron scattering at interfaces (Fuchs-Sondheimer model) or grain boundaries (Mayadas-Shatzkes model). To achieve a fundamental understanding of the prevailing electron scattering mechanisms, aluminum-doped zinc oxide (ZnO:Al) / Ag / ZnO:Al layer stacks produced by magnetron sputtering were investigated concerning their electronic structure and electrical transport properties. The electronic structure of the layer stacks was probed and analyzed by electron energy-loss spectroscopy. By this technique, plasmonic excitations are observed, which can be categorized into excitations of the electrons in the bulk silver and excitations at the ZnO:Al / Ag interface. The plasmons were analyzed with respect to their dispersion and the peak width, and brought into relation with electrical conductivity measurements by calculating the plasmon lifetime and the electron scattering rate. The difficulty in determining the relative contributions of the interface and grain boundary scattering in experimental conditions is due to the fact that the way in which these scattering mechanisms depend on the film thickness, is very similar. Understanding the electron transport in thin films is of paramount importance, because the differentiation between the scattering mechanisms is a key issue for the improvement of the coatings. In the present work, the solution came from the expected difference in the temperature-dependent behavior of the resistivity between electron scattering at interfaces and electron scattering at grain boundaries. Hence, the resistivity was measured as a function of the temperature on layer stacks with different silver film thickness varying in the range of 4 to 200 nm. The data were analyzed using the extended Mayadas-Shatzkes model involving both electron scattering at interfaces (Fuchs-Sondheimer model), and electron scattering at grain boundaries. The results demonstrate that electron scattering at grain boundaries dominates for all film thicknesses. The basic layer stack was compared to more sophisticated systems, obtained either by adding a thin titanium layer in between silver and ZnO:Al, or by exposing the growing silver film to an oxygen partial pressure (oxidizing the film). Furthermore, the effect of annealing at 250°C was studied for all these systems. / Dünne Silberfilme werden aufgrund ihres hohen Reflexionsvermögens im infraroten Spektrum und ihres hohen Transmissionsvermögens im Spektrum des Sonnenlichtes als Wärmeschutzbeschichtungen für Fensterglas verwendet. Der entscheidende Parameter für das Reflexionsvermögen der Schicht ist die elektrische Leitfähigkeit - je höher die Leitfähigkeit, desto stärker wird Infrarotlicht reflektiert. Elektrisch leitende Schichten mit Schichtdicken dünner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen weisen einen starken Anstieg des spezifischen Widerstandes auf, der sich proportional zur inversen Schichtdicke verhält. Trotz ausführlicher Diskussionen während der letzten Jahrzehnte, ist noch nicht geklärt ob dieses Verhalten auf Streuung von Elektronen an Grenzflächen (Fuchs-Sondheimer-Modell) oder an Korngrenzen (Mayadas-Shatzkes-Modell) zurückzuführen ist. Um ein grundlegendes Verständnis der vorherrschenden Streumechanismen zu erlangen, wurden Schichtstapel der Struktur Aluminium-dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) / Ag / ZnO:Al, welche mittels Magnetron-Sputtern hergestellt wurden, hinsichtlich ihrer Transporteigenschaften und elektronischen Struktur untersucht. Die elektronische Struktur der Schichtsysteme ist mittels Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie untersucht und bezüglich ihrer plasmonischen Anregungen analysiert wurden. Diese können in Anregungen der Volumenelektronen des Silbers und Anregungen der Elektronen aus der ZnO:Al / Ag Grenzfläche unterteilt werden. Die Plasmonen wurden hinsichtlich ihrer Impulsabhängigkeit und Anregungsbreite analysiert und durch Berechnung der Plasmonenstreurate mit den Messungen der elektrischen Leitfähigkeit verglichen. Aufgund der Tatsache, dass Genzflächen- und Korngrenzstreuung eine ähnliche Schichtdickenabhängigkeit aufweisen, gestaltet sich die Bestimmung der relativen Beiträge beider Streumechanismen als schwierig. Diese Problem kann durch die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Streumechanismen, die sich für Grenzflächen- und Korngrenzstreuung unterscheidet, gelöst werden. Der spezifische Widerstand wurde in Abhängigkeit von der Temperatur an mehreren Proben unterschiedlicher Silberschichtdicke (im Bereich von 4 bis 200 nm) gemessen. Die Daten wurden anhand des erweiterten Mayadas-Shatzkes-Modells, welches sowohl Streuung an Grenzflächen (Fuchs-Sondheimer-Modell) als auch an Korngrenzen berücksichtigt, evaluiert. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass für alle Schichtdicken die Elektronenstreuung an Korngenzen der dominierende Streumechanismus ist. Die Ergebnisse der Analyse des fundmentalen Schichtsystems wurden mit denen komplexerer Systeme verglichen, bei denen zum einen durch Hinzufügen einer dünnen Titanschicht die Grenzfläche zwischen Silber und ZnO:Al modifiziert wurde und zum anderen der Silberfilm durch einen erhöhten Sauerstoff-Partialdruck während der Beschichtung oxidiert wurde. Des Weiteren wurde der Effekt einer Temperung bei 250°C an allen Systemen untersucht. / Les vitrages bas-émissifs sont fréquemment élaborés par dépôts de revêtements dont la couche active est un film mince d'argent. Le paramètre qui détermine la réflexion dans l'infra-rouge est la conductance électrique de l'empilement. La résistivité électrique résiduelle de films dont l'épaisseur est inférieure au libre parcours moyen des électrons croît fortement en fonction de l'inverse de l'épaisseur. En dépit d'intenses recherches menées pendant des dizaines d'années, l'origine de cet accroissement de résistivité - réflexion des électrons par les interfaces (modèle de Fuchs-Sondheimer) ou par les joints de grains (modèle de Mayadas-Shatzkes). Pour comprendre les mécanismes à l'œuvre dans le transport des électrons, des couches ZnO dopé aluminium (ZnO:Al) / Ag / (ZnO:Al) produites par pulvérisation plasma ont été étudiée concernant leur structure électronique et propriétés de transport électrique. Les empilements ont été examinés par spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons. Les spectres font apparaître les excitations des électrons de volume de l'argent et les excitations à l'interface ZnO:Al / Ag. Les excitations ont été analysés concernant leur dispersion. En outre, la durée de vie moyenne des plasmons déterminée d'après la largeur du pic de plasmon d'interface se compare bien à la l'inverse de la fréquence de diffusion des électrons qui se déduit de l'application du modèle de Drude aux données relatives à la résistivité. La difficulté dans la détermination des contributions relatives des modèles de Fuchs-Sondheimer et Mayadas-Shatzkes dans les conditions expérimentales est due au fait que ces deux modèles présentent des variations très similaires en fonction de l'épaisseur des films. D'importance primordiale pour la compréhension du transport dans les films minces, la question est une clé pour l'amélioration des revêtements bas-émissifs. La solution a été apportée ici par la différence de comportement en fonction de la température des diffusions des électrons aux interfaces et aux joints de grains. D'après cela, la résistance d'empilements comportant des films d'argent d'épaisseurs comprises entre 4 et 200 nm a été mesurée en fonction de la température. Les données ont été analysées au moyen de la version du modèle de Mayadas-Shatzkes qui inclut à la fois la diffusion des électrons aux interfaces (modèle de Fuchs-Sondheimer) et la diffusion des électrons aux joints de grains. Il a té démontré que, pour toutes les épaisseurs, la diffusion des électrons aux joints de grains constitue l'effet dominant. Les résultats de l'analyse du système fondamental ont été comparées avec les résultats de systèmes plus sophistiqués, obtenus soit en intercalant une couche additionnelle de titane entre l'argent et le ZnO (méthode communément utilisée pour améliorer le mouillage du ZnO par l'argent), soit par exposition à une pression partielle du film d'argent encours de croissance (pour oxyder le film). En outre, l'effet du recuit à 250°C a été étudié pour tous ces systèmes.

In der vorliegenden Arbeit wurde die heterogen-katalysierte, partielle Gasphasenhydrierung von Benzol zu Cyclohexen untersucht. Dazu wurden Träger- und Schalenkatalysatoren für Schüttgutreaktoren sowie Mikrostruktur-Reaktoren mit katalytisch aktivierten Wafern hergestellt und eingesetzt. Die Bildung des thermodynamisch und kinetisch nicht begünstigten Zielproduktes Cyclohexen konnte durch den Reaktionsmodifikator Methanol bewirkt werden. Dieser war in der Lage, die Verhältnisse der Geschwindigkeiten der Teilreaktionen sowie der Sorptionsprozesse an der Katalysatoroberfläche so zu beeinflussen, daß Cyclohexen im Abgasstrom der Reaktion nachgewiesen werden konnte. Dabei gelang es außerdem, die Reaktion unter quasi-stationären Bedingungen an unterschiedlichen Katalysatoren reproduzierbar durchzuführen und mit Hilfe eines einfachen Verfahrens die Katalysatoren zu reaktivieren. Der Einfluß des Trägermaterials von Ruthenium-Katalysatoren auf Umsatzgrad, Selektivität sowie das Desaktivierungsverhalten während der Gasphasenhydrierung wurde ermittelt. Darüber hinaus wurde eine Reihe von unpromotierten und promotierten Ru/Al2O3-Trägerkatalysatoren mit Hilfe des Sol-Gel-Verfahrens präpariert und in der Gasphasenhydrierung von Benzol in Gegenwart des Reaktionsmodifikators Methanol untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, daß die zusätzliche Promotierung mit Zinkoxid zu einer weiteren Verbesserung der Cyclohexen-Bildung führte. Die Mikrostruktur-Reaktoren für die partielle Gasphasenhydrierung von Benzol wurden zum einen aus mikrostrukturierten Aluminium-Wafern und zum anderen aus mikrostrukturierten Edelstahl-Wafern gebildet. Beide Wafertypen wurden mit unterschiedlichen Methoden katalytisch aktiviert. Die Aluminium-Wafer wurden durch anodische Oxidation und anschließende Imprägnierung aktiviert, für die Aktivierung der Edelstahl-Wafer wurde ein Sol-Gel-Tauchbeschichtungs- Verfahren mit Imprägnierung angewendet. Bei der Untersuchung der partiellen Gasphasenhydrierung von Benzol an den Mikrostruktur-Reaktoren mit den jeweiligen Waferkatalysatoren zeigte sich, daß die Mikrostruktur-Reaktoren mit Aluminium-Waferkatalysatoren bezüglich der Bildung von Cyclohexen besser geeignet waren, als die Mikrostruktur-Reaktoren mit Edelstahl-Waferkatalysatoren. Es wurde gezeigt, daß ein Mikrostruktur-Reaktor in der partiellen Gasphasenhydrierung von Benzol das gleiche Selektivitäts-Umsatz-Verhalten aufweist, wie ein Schüttgutreaktor mit vergleichbarem Schalenkatalysator.

The commercial breakthrough of ZnO-based devices is hampered mainly by the unipolar n-type conductivity of this material. Hydrogen, which is known to form both electrically active and inactive complexes in ZnO, is considered as a main cause of this behavior. However, the existing literature is incomplete and partly contradictory. The object of the present thesis is a comprehensive investigation of the properties of two hydrogen-induced shallow donors HBC and HO, the hydrogen molecule H2, and a hydrogen-related defect, which gives rise to local vibrational modes (LVMs) at 3303 and 3320 cm-1, in ZnO and their interaction. The defects are characterized by Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy, photoconductivtity (PC) and photoluminescence measurements. Based on the PC technique, a novel and highly sensitive spectroscopic approach is established, which is applicable for probing LVMs in strongly absorbing spectral regions. This technique enables the detection of the local modes of HO at 742 and 792 cm-1 in the neutral charge state. In consequence, earlier theoretical predictions regarding the microscopic structure of this shallow donor can be verified. In Raman measurements the electronic 1s→2s transition of HO is identified at 273 cm-1. This quantity is found to blue-shift with the HO defect concentration. A similar blue-shift of the 1s→2s(2p) donor transition of HBC is assigned to local lattice strain which was generated during high temperature processes. A Raman study of the H2 molecule covers its formation, stability, lattice position and interplay with the ZnO host. In particular, the role of H2 for the continuous generation of HO and HBC and the related n-type behavior is elaborated. The analysis unambiguously confirms that the so-called “hidden hydrogen” species is indeed H2. Moreover, the observation of the ortho-para-conversion process and the coupling to the host phonons contribute to a general understanding of H2 in semiconductors. Experimental results of the LVMs of 3303 and 3320 cm-1 in conjunction with model calculations yield an underlying defect containing three hydrogen atoms. This complex Y–H3 exhibits two configurations, which differ only in the orientation of one chemical bond. The findings are consistent equally with a zinc vacancy decorated with three hydrogen atoms and an ammonia molecule, respectively. Earlier models proposed in the literature are discarded. Measurements of concentration profiles by using Raman spectroscopy reveal the local distribution of the hydrogen-related defects as well as lattice imperfections. At the surface, where oxygen vacancies are present, HO is identified as the dominant shallow donor. Below, in parts of the crystal with low damage, HBC is the prevalent defect. In the sample center, characterized by a significant amount of zinc vacancies, the concentrations of H2 and Y–H3 show their maxima. By recording concentration profiles after thermal treatments a spatially resolved investigation of the interplay of these hydrogen-related defects is possible. / Der kommerzielle Durchbruch von ZnO-basierten Bauelementen ist hauptsächlich durch die beständige n-Typ Leitung des Materials eingeschränkt. Wasserstoff, der sowohl elektrisch aktive als auch inaktive Komplexe in ZnO formt, gilt als ein Hauptverursacher dieses Verhaltens. Jedoch ist die bestehende Literatur zu derartigen Defekten unvollständig, teils auch widersprüchlich. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind umfassende Untersuchungen der beiden wasserstoffinduzierten Donatoren HBC und HO, des Wasserstoffmoleküls H2 und eines Wasserstoffdefekts mit lokalen Schwingungsmoden (LSMn) bei 3303 und 3320 cm-1 in ZnO hinsichtlich ihrer Eigenschaften und gegenseitigen Wechselwirkung. Die Charakterisierung der Komplexe erfolgt mit Hilfe von Raman-Spektroskopie, Infrarot-Absorptionsspektroskopie, Photoleitfähigkeits- (PC) und Photolumineszenzmessungen. Basierend auf der PC Technik wird eine neuartige, hochsensitive Spektroskopiemethode etabliert, welche auch in stark absorbierenden Spektralbereichen anwendbar ist. Diese Technik ermöglicht erstmals die Detektion der LSMn von HO bei 742 und 792 cm-1 im neutralen Ladungszustand. Das experimentelle Ergebnis verifiziert theoretische Vorhersagen zur mikroskopischen Struktur dieses flachen Donators. In Raman-Messungen wird der elektrische 1s→2s Übergang von HO bei 273 cm-1 identifiziert und eine Blauverschiebung dieser Größe mit zunehmender HO-Konzentration beobachtet. Der Donator HBC zeigt ebenfalls eine Blauverschiebung des elektrischen 1s→2s(2p) Übergangs, welche durch lokale Gitterverzerrungen nach Hochtemperaturbehandlungen bedingt ist. Eine Raman-Studie charakterisiert das H2-Molekül in Bezug auf seine Bildung, Stabilität, Gitterposition und die Wechselwirkung mit dem ZnO-Kristall. Insbesondere wird seine Rolle für die fortwährende Bildung der Donatoren HO und HBC und des damit verbundenen n-Typ Verhaltens herausgearbeitet. Die Analyse ergibt die eindeutige Identifizierung der in der Literatur mit „hidden hydrogen“ bezeichneten Spezies als H2. Darüber hinaus tragen die beobachteten Umwandlungsprozesse zwischen ortho-H2 und para-H2 sowie die Kopplung an das Phononenspektrum zu einem generellen Verständnis von Wasserstoffmolekülen in Halbleitern bei. Die experimentellen Ergebnisse der LSMn bei 3303 und 3320 cm-1 in Kombination mit Modellrechnungen ergeben einen zugrundeliegenden Defekt mit drei Wasserstoffatomen. Dieser Komplex Y–H3 weist zwei Konfigurationen auf, welche sich durch die Orientierung von nur einer chemischen Bindung unterscheiden. Die Beobachtungen sind mit einer Zinkvakanz besetzt mit drei Wasserstoffatomen bzw. einem Ammoniakmolekül als mikroskopische Struktur gleichermaßen erklärbar. Bisherige Modelle aus der Literatur können damit widerlegt werden. Messungen von Konzentrationsprofilen mit Raman-Spektroskopie offenbaren die lokale Verteilung der Wasserstoffdefekte sowie von Gitterstörungen. An der Oberfläche, im Beisein von Sauerstoffvakanzen, ist HO der dominante flache Donator. In dem sich anschließenden ungestörten Kristallverbund ist hingegen der Donator HBC vorherrschend. In Zentrum, welches von Zinkvakanzen geprägt ist, sind die Konzentrationen von H2 und Y–H3 maximal. In Verbindung mit Temperaturbehandlungen ist eine räumlich aufgelöste Untersuchung der Wechselwirkung möglich.

During the global pandemic of coronavirus, the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) outbreak, the world was desperately searching for simpler yet more effective solutions to stop the spread of coronavirus (COVID-19). Since no one was prepared for the fast spread of such a contagious virus, there was a shortage of proper protective solutions to stop the spread. Large quantities of alcohol-based disinfectant and hand sanitizers were used, but it led to global shortages. It is desired to have a water-based, easily applied, low-cost and long-lasting disinfectant that can prevent the spread of coronavirus on any surface, without the issue of skin allergies or skin-drying as often found while using alcohol. Inspired by nature, chitosan (CS), a natural biopolymer with well-known antimicrobial and film-forming properties, was tested in this study for the preparation of coatings spread onto various surfaces and the antiviral effect was evaluated. Zinc oxide (ZnO), a material generally recognized as safe (GRAS) by the US Food and Drug Administration (FDA), is a photocatalyst that was embedded in chitosan to enhance the antimicrobial and antiviral performance of the coatings. In order to apply water-based chitosan formulation on hydrophobic polypropylene (PP) surgical mask and polyethylene terephthalate (PET) surface, the plastics were treated with either oxygen plasma or corona plasma to improve the surface hydrophilicity. The corona plasma treatment decreased the water contact angle (WCA) of the surgical mask from approximately 125° to 101° and drastically reduced WCA of the PET film from approximately 100° to 29°. The PET film was coated with CS – ZnO nanocomposite, which contains 1% chitosan and 5 wt.% (w.r.t weight of chitosan) ZnO nanoparticles. The capability of photocatalytic degradation of CS – ZnO coating was demonstrated during the degradation of methylene blue dye molecules. Additionally, we evaluated the antiviral effect of the CS – ZnO nanocomposite coating on PET plastic films under typical room lighting conditions by measuring the inactivation of lentivirus. This approach utilizes the pseudotype system, which is a reliable tool to study under conventional biosafety conditions, particularly for certain pathogenic strains of coronaviruses (CoVs) which have a strong pathogenicity. / Under den globala coronapandemin, utbrottet av allvarligt akut respiratoriskt syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), sökte världen desperat efter enklare men ändå mer effektiva lösningar för att stoppa spridningen av coronaviruset (COVID-19). Eftersom ingen var förberedd på en så smittsam sjukdom uppstod en brist på lämpliga skyddsmetoder för att stoppa spridningen. Stora mängder alkoholbaserade desinfektionsmedel och handdesinfektionsmedel användes, vilket skapade en global brist. Det önskades en vattenbaserad, lättapplicerad, kostnadseffektiv och långvarig desinfektionsmedel som kunde förhindra spridningen av coronaviruset på vilken yta som helst, utan problem med allergiska reaktioner eller uttorkning av huden som ofta uppstår vid användning av alkohol. Med inspiration från naturen testades kitosan, en naturlig biopolymer med välkända antimikrobiella och film-formande egenskaper, för att göra beläggningar på olika ytor och testa deras antivirala effekt. Zinkoxid (ZnO), ett material som allmänt erkänns som säkert (GRAS) av US Food and Drug Administration (FDA), är en fotokatalysator och användes i kitosanbeläggningen för att förbättra den antimikrobiella och antivirala effekten. För att applicera den vattenbaserade kitosanformuleringen på hydrofoba ytor på en kirurgisk mask av polypropen (PP) och en plastfilm av polyetylentereftalat (PET), behandlades plasterna med antingen O2 eller corona plasma för att förbättra ytornas hydrofilicitet. Behandlingen av corona plasma minskade vattenkontaktvinkeln på den kirurgiska masken från cirka 125° till 101° och för PET-filmen från cirka 100° till 29°. PET-filmen belades med CS – ZnO nanokomposit, som innehåller 1% kitosan och 5 wt.% (med avseende på vikten av kitosan) ZnO nanopartiklar. Förmågan till fotokatalytisk nedbrytning av CS – ZnO-beläggningen demonstrerades genom att bryta ned metylenblå färgmolekyler. Dessutom utvärderades vi den antivirala effekten av CS – ZnO nanokompositbeläggningen på PET-filmer i normal rumsbelysning genom att mäta dess förmåga att inaktivera lentivirus. Denna metod använder pseudotypsystemet, vilket är ett tillförlitligt verktyg för att studera under konventionella biosäkerhetsförhållanden, särskilt för vissa patogena stammar av coronavirusen (CoVs) som har en hög patogenicitet.

Emerging markets in electrochemical energy storage, such as stationary grid storage, coupled with future concerns over the availability of lithium, places sodium-ion battery (SIB) technologies at a unique position to enter the market as a commercially viable alternative. Current shortcomings in the performance of cathode materials in SIBs would necessarily need to be addressed if this technology is to compete with existing commercial lithium-ion battery counterparts. Prussian White (PW), a promising cathode material currently being produced by Altris AB in Uppsala, Sweden, has been shown in many regards to be a promising candidate as a cathode material. In efforts to improve the lifetime, thermal stability, and rate capability of the material, both zinc oxide (ZnO) and polyaniline (PANI) coatings were applied to the active material powder.  Scanning electron microscopy (SEM) images of the ZnO coated PW showed that the ZnO was concentrated to certain regions, resulting in a rough and compromised coating. Furthermore, the notable presence of iron 2p orbital peaks in XPS spectra for ZnO and PANI coated samples, together with the SEM images, suggests that no method resulted in a conformal coating. Crystallographic information obtained using a capillary X-ray diffractometer showed that the PANI coating process had caused the PW to transition from a monoclinic to a cubic structure. This phase transition, based on subsequent thermogravimetric analysis, is attributed to an increase in both interstitial and lattice water content.  A comparative analysis of particle size and morphology, before and after slurry homogenization, showed that the ball milling technique used resulted in a reduction in size. Moreover, the ball milling process affected the uncoated PW more than the ZnO coated PW.  Findings, based on galvanostatic cycling of both full and half cells, indicate that the ZnO coating method on average results in a 12 mAh g1 loss in discharge capacity. The PANI coated PW showed a drop in capacity of approximately half that of the uncoated reference samples. No significant differences were observed in capacity retention, coulombic efficiency, and thermal stability between ZnO coated and uncoated PW. The better rate capability of the uncoated PW is suggested to be a result of the smaller particle size. Explanations for the observed similarities in electrochemical performance include (i) the breaking up of particles and agglomerates during the ball milling process (exposing uncoated faces), and (ii) the compromised coating. / Framväxande marknader inom elektrokemisk energilagring, såsom stationär nätlagring, i kombination med framtida oro över tillgängligheten av litium, placerar natriumjonbatteriteknik (SIB) i en unik position för att komma in på marknaden som ett kommersiellt lönsamt alternativ. Nuvarande brister i prestanda av katodmaterial i SIB måste nödvändigtvis åtgärdas om denna teknik ska konkurrera med befintliga kommersiella litiumjonbatterier. Prussian White (PW), ett lovande katodmaterial som produceras av Altris AB i Uppsala, Sverige, har i många avseenden visat sig vara en lovande kandidat som katodmaterial. I försök att förbättra materialets livslängd, termiska stabilitet och cyklingshastighetsförmåga applicerades både zinkoxid (ZnO) och polyanilin (PANI) -beläggningar på PW.  Svepelektronmikroskopi (SEM) -bilder av den ZnO-belagda PW visade att ZnO koncentrerades till vissa regioner, vilket resulterade i en grov och komprimerad beläggning. Vidare antyder närvaron av järn 2p orbitaltoppar i XPS-spektra för ZnO- och PANI-belagda prover, tillsammans med SEM-bilderna, att ingen metod resulterade i en lyckad beläggning. Kristallografisk information erhållen med användning av en kapillär röntgendiffraktometer visade att PANI-beläggningsprocessen hade orsakat en fasomvandling från en monoklinisk till en kubisk struktur. Denna fasomvandling, baserad på efterföljande termogravimetrisk analys, tillskrivs en ökning av både interstitiellt och gittervatteninnehåll.  En jämförande analys av partikelstorlek och morfologi före och efter homogenisering visade att den använda kulkvarnstekniken resulterade i en minskning i storlek. Dessutom påverkade kulkvarnsprocessen den obelagda PW mer än den ZnO-belagda PW.  Resultat, baserade på galvanostatisk cykling av både hel- och halvceller, indikerar att ZnO-beläggningsmetoden i genomsnitt resulterar i en 12 mAh g-1-förlust i urladdningskapacitet. Den PANI-belagda PW uppvisade en minskning i kapacitet på ungefär hälften av de obelagda referensproverna. Inga signifikanta skillnader observerades i kapacitetsretention, coulombisk effektivitet och termisk stabilitet mellan ZnO-belagd och obelagd PW. Den bättre hastighetsförmågan hos obelagd PW föreslås vara ett resultat av den mindre partikelstorleken. Förklaringar för de observerade likheterna i elektrokemisk prestanda innefattar (i) uppbrytning av partiklar och agglomerat under kulfräsningsprocessen (exponering av obelagda ytor) och (ii) ofullständig beläggning.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem RF- überlagerten DC-Sputtern von Indiumzinnoxid und aluminiumdotierten Zinkoxid. Bei dem dafür entwickelten synchron gepulsten RF/DC-Verfahren werden die zu untersuchenden Materialien gleichzeitig mit Hilfe eines RF- und eines PulsDC-Generators gesputtert. Ein wesentliches Resultat der Untersuchungen ist, dass durch RF- überlagertes DCSputtern Schichten abgeschieden werden können, die im Vergleich zum DC- bzw. PulsDC-Sputtern geringere spezifische Widerstände aufweisen. Dies ist auf eine Verringerung von Defekten in den abgeschiedenen Schichten zurückzuführen. Es konnte anhand der Untersuchungen gezeigt werden, dass fur die Abscheidung von Indiumzinnoxid und aluminiumdotiertem Zinkoxid die Substrattemperatur beim RF überlagerten DC-Sputtern gegenüber dem DC-Sputtern um bis zu 100°C verringert werden kann.

In dieser Dissertation wurde die Beziehung zwischen den strukturellen, optischen und Ladungstransporteigenschaften von dotierten ZnO- und Zn1-xMgxO-Schichten eingehend untersucht. Das Ziel war es, die oben genannten Zusammenhänge weiter aufzuklären, wodurch sich anschließend Ansätze für eine zielgerichtete Verbesserung der Schichteigenschaften ableiten lassen. Zunächst konzentriert sich die Arbeit auf das Wachstum der ZnO-Schichten, um wichtige strukturelle Parameter, wie zum Beispiel Korngrößen und Defektdichten, mittels Röntgendiffraktometrie und Transmissionselektronenmikroskopie zu bestimmen. Diese strukturellen Parameter wurden dann als Modellparameter für die theoretische Modellierung des Transports der freien Ladungsträger verwendet. Temperaturabhängige Hall-, Leitfähigkeits- und Seebeck-Koeffizient-Messungen zeigten, dass der elektrische Transport hauptsächlich durch die Streuung der Ladungsträger an ionisierten Störstellen und Korngrenzen limitiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die theoretische Beschreibung der Streuung an Korngrenzen auf entartet dotierte Halbleiter erweitert. Diese Ergebnisse wurden dann genutzt, um ein qualitatives Modell zu formulieren, welches den Zusammenhang zwischen dem Magnetron-Sputter-Abscheidungsprozess und den strukturellen und elektrischen Eigenschaften der Schichten herstellt. Gemäß diesem Modell sind die Schichteigenschaften bei niedrigen Abscheidungstemperaturen hauptsächlich durch die Bildung akzeptoratiger Sauerstoffzwischengitterdefekte bestimmt, die einen Teil der extrinsischen Dotanden kompensieren. Diese Defekte werden durch ein Bombardement der wachsenden Schicht mit hochenergetischen negativen Sauerstoffionen verursacht. Bei höheren Abscheidungstemperaturen dominiert die Bildung von sekundären Phasen oder Defektkomplexen, in denen der Dotant elektrisch inaktiv ist. / In this thesis, the relation between the structural, optical, and charge carrier transport properties of magnetron sputtered doped ZnO and Zn1-xMgxO films has been investigated in detail. The objective was to clarify the above mentioned relations, which allows to derive solutions for a deliberate improvement of the layer properties. The work first focusses on the growth of the ZnO layers to determine important structural properties like grain sizes and defect densities via X-ray diffraction and transmission electron microscopy investigations. These structural properties were then used as model parameters for the theoretical modelling of the charge carrier transport. The temperature dependent Hall, conductivity and Seebeck coefficient measurements show that the transport is mainly limited by grain boundary scattering and ionized impurity scattering. The theoretical description of the grain boundary scattering has been extended in this work to also include degenerate semiconductors. Based on the results on the structural and electronic properties, in a next step a qualitative model was developed which explains the correlation between the magnetron sputtering deposition process and the structural and electronic properties of the films. According to this model, the properties of the films are mainly influenced by the formation of electrically active acceptor-like oxygen interstitial defects at low deposition temperatures, which lead to a partial compensation of the extrinsic donors. These defects are caused by a bombardment of the growing film by high-energetic negative oxygen ions. At higher deposition temperatures, the formation of secondary phases or defect complexes, in which the dopant is electrically inactive, prevails.

This work is part of the inter-laboratory collaboration to study the stability of seven distinct sets of state-of-the-art organic photovoltaic (OPV) devices prepared by leading research laboratories. All devices have been shipped to and degraded at RISØ-DTU up to 1830 hours in accordance with established ISOS-3 protocols under defined illumination conditions. In this work, we apply the Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency (IPCE) and the in situ IPCE techniques to determine the relation between solar cell performance and solar cell stability. Different ageing conditions were considered: accelerated full sun simulation, low level indoor fluorescent lighting and dark storage. The devices were also monitored under conditions of ambient and inert (N2) atmospheres, which allows for the identification of the solar cell materials more susceptible to degradation by ambient air (oxygen and moisture). The different OPVs configurations permitted the study of the intrinsic stability of the devices depending on: two different ITO-replacement alternatives, two different hole extraction layers (PEDOT:PSS and MoO3), and two different P3HT-based polymers. The response of un-encapsulated devices to ambient atmosphere offered insight into the importance of moisture in solar cell performance. Our results demonstrate that the IPCE and the in situ IPCE techniques are valuable analytical methods to understand device degradation and solar cell lifetime. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die Temperung mittels Xenon-Blitzlampen (Flash Lamp Annealing - FLA) ist ein Kurzzeittemperverfahren mit Pulszeiten im Bereich von Millisekunden, bei dem nur die Oberfläche eines Substrats erhitzt wird. Durch die Blitzlampentemperung kann der Schichtwiderstand von tansparenten leitfähigen Oxidschichten reduziert und die Transmission im sichtbaren Licht erhöht werden. In dieser Arbeit wurde dies am Beispiel von Indium-Zinn-Oxid (ITO), Indium-Zink-Oxid (IZO) und aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO) gezeigt. Es wurde untersucht, welchen Einfluss verschiedene Prozessparameter wie Energiedichte und Pulszeit des Xenonlichtblitzes, die Absorption der zu behandelnden Schicht, die Gasatmosphäre während der Temperung, die Reflexion im Prozessraum und das Substratmaterial auf die optischen und elektrischen Eigenschaften der Schichten haben. Für ITO-Schichten mit einer Schichtdicke von 150 nm kann der Widerstand von 45 auf <14 Ohm verbessert werden, was vergleichbar mit einer konventionellen Temperung im Umluftofen ist.