CuI is a p-type transparent conductive semiconductor with unique optoelectronic properties, including wide band gap (3.1 eV), high hole mobility (>40 cm2 V−1 s−1 in bulk), and large room-temperature exciton binding energy (62 meV). The difficulty in epitaxy of CuI is the main obstacle for its application in advanced solid-state electronic devices. Herein, room-temperature heteroepitaxial growth of CuI on various substrates with well-defined in-plane epitaxial relations is realized by reactive sputtering technique. In such heteroepitaxial growth the formation of rotation domains is observed and hereby systematically investigated in accordance with existing theoretical study of domain-epitaxy. The controllable epitaxy of CuI thin films allows for the combination of p-type CuI with suitable n-type semiconductors with the purpose to fabricate epitaxial thin film heterojunctions. Such heterostructures have superior properties to structures without or with weakly ordered in-plane orientation. The obtained epitaxial thin film heterojunction of p-CuI(111)/n-ZnO(00.1) exhibits a high rectification up to 2 × 109 (±2 V), a 100-fold improvement compared to diodes with disordered interfaces. Also a low saturation current density down to 5 × 10−9 Acm−2 is formed. These results prove the great potential of epitaxial CuI as a promising p-type optoelectronic material.

Ziel dieser Arbeit ist die phänomenologische Untersuchung der Feuchteempfindlichkeit der elektrischen Eigenschaften dünner Polymerschichten. Diese Untersuchungen stellen gleichzeitig Vorarbeiten zur Entwicklung von Prototypen von zwei polymeren Dünnschicht-Feuchtesensoren dar, die sich durch die spezielle Auswahl der feuchtesensitiven Materialien jeweils durch eine besondere Eigenschaft gegenüber kommerziellen Massenprodukten auszeichnen. Ziel der Entwicklungsarbeiten für den ersten Prototypen war die Konstruktion eines schnellen Feuchtesensors, der plötzliche und sprunghafte Feuchteänderungen in der umgebenden Atmosphäre möglichst rasch detektieren kann. Dafür wurden dünne Schichten von Poly-DADMAC auf Interdigitalstrukturen aufgebracht, die einen möglichst direkten Kontakt zwischen feuchtesensitiver Schicht und umgebender, feuchter Atmosphäre gewährleisten. Als Messgrößen dienten die Wechselstromgrößen Widerstand und Kapazität der Schichten. Die Feuchtekennlinien der Schichten zeigen gute Konstanz und hohe Reproduzierbarkeit. Der Widerstand der Schichten ändert sich durch den Einfluss von Feuchte je nach Schichtdicke um 3 bis 5 Größenordnungen und eignet sich als Messgröße für die Feuchtigkeit im gesamten Feuchtebereich. Die Hysterese der Filme konnte auf kleiner als 2,5% r.F. bestimmt werden, die Reproduzierbarkeit auf besser als 1% r.F. Die Ansprechzeit der Schichten lässt sich schichtdickenabhängig zu 1 bis 10 Sekunden bestimmen. Hierbei zeigen besonders die dünnen Schichten kurze Ansprechzeiten. Zielstellung für den zweiten Feuchtesensor war die Entwicklung eines Prototypen, dessen sensitive Schicht sich biostatisch und biozid verhält, so dass er in biotischen Umgebungen eingesetzt werden kann. Es wurden fünf Polysulfobetaine synthetisiert, deren Biozidität und Biostatik mit dem Kontakttest nach Rönnpagel, dem ISO846-Test und Abbautests bestimmt wurde. Zwei Polymere – Poly-DMMAAPS (BT2) und Poly-[MSA-Styren-Sulfobetain] (BT5) – erwiesen sich als ausreichend biozid und biostatisch. Schichten dieser Polymere wurden auf Interdigitalstrukturen aufgezogen, anschließend wurden die Kennlinien dieser Proben aufgenommen. Die Messwerte zeigen für beide Polymere gute Konstanz und eine hohe Reproduzierbarkeit. BT2-Proben sind zwischen 20% und 80% r.F. besonders empfindlich und zeigen über einen Monat keine Langzeitdrift. Vernetzte Proben zeigen bis 50°C keinen temperaturbedingten Abfall der Feuchteempfindlichkeit. Der Einsatz vernetzter BT5-Schichten als kapazitiver Feuchtesensor ist bis etwa 70°C möglich, die Schichten sind selbst nach Lagerung im Hochvakuum und mehrfacher Betauung stabil. Damit liegen zwei funktionsfähige Prototypen von Feuchtesensoren vor, für die die meisten Kennwerte denen von vergleichbaren kommerziellen Feuchtesensoren entsprechen. Gleichzeitig zeichnen sie sich aber durch eine sehr niedrige Ansprechzeit bzw. eine ausreichende Lebensdauer unter biotischen Bedingungen aus. / The topic of this work is the phenomenological investigation of the humidity sensitivity of the electrical properties of thin polymer films. These investigations also act as preparatory work for the development of prototypes of two polymer thin film humidity sensors, which by the choice of the humidity sensitive materials stand out by one special property each compared with commercial mass products. The aim of the development work for the first prototype was the construction of a fast humidity sensor, which can rapidly detect sudden and erratic humidity changes in the surrounding atmosphere. Thin films of poly-DADMAC were prepared on interdigitated structures that allow for undisturbed contact between the sensitive layer and the surrounding humid atmosphere. Measured variables were the ac resistance and capacity of the films. The humidity characteristics of the films show good stability and high reproducibility. Under the influence of humidity the resistance of the films changes by 3 to 5 orders of magnitude, depending on the film thickness, and is suitable to measure the humidity in the entire humidity range. The hysteresis of the films is lower than 2.5% r.h., the reproducibility better than 1% r.h. The response time of the layers can be determined to 1 to 10 seconds, depending on their thickness. The thin films, specifically, show very short response times. The aim for the second humidity sensor was the development of a prototype, where the sensitive film is biostatic and biocide, so that it can be used to measure the humidity in biotic environments. Five polysulfobetaines were synthesized and their biocidity and biostatics were tested with the contact test according to Rönnpagel, the ISO846 test and degradation tests. Two of the polymers - poly-DMMAAPS (BT2) and poly-[MSA-styrene-sulfobetaine] (BT5) - showed sufficient biocidity and biostatics. Films of these polymers were prepared on interdigitated structures, then their humidity characteristics were recorded. The measured values show good stability and high reproducibility for both polymers. Samples of BT2 are highly sensitive between 20% and 80% r.h. and show no long-term drift after one month. Cross-linked samples show no decrease of the humidity sensitivity in temperatures up to 50 degrees Celsius. Cross-linked films of BT5 can be used as a capacitive humidity sensor up to 70 degrees Celsius, and the samples are stable even after storage in high vacuum and multiple dew cycles. These two functional prototypes of humidity sensors show characteristic data comparable to those of commercial sensors. However, they stand out, respectively, with a very short response time and a sufficient life time in biotic environments.

Den Kern der Untersuchungen bildete die Messung der mechanischen Spannungen in dünnen Kupferschichten während thermischer Zyklen und nach Belastung durch Vierpunktbiegung. Parallel dazu wurden Charakterisierungen der Korngröße, der Textur und korninnerer Defekte, inbesondere von Versetzungen durchgeführt. Bei den Spannungsmessungen fielen folgende Besonderheiten auf: (i) höhere Festigkeiten mit abnehmender Schichtdicke, (ii) hohe Verfestigungsraten bei der Abkühlung, (iii) Asymmetrie der Fließspannungen in Zug- und Druckrichtung und (iv) hohe Spannungen bei hohen Temperaturen. Da die klassischen Plastizitätsmodelle diese Besonderheiten zu erklären vermögen, wurden zwei neue Modelle entwickelt. Das erste beschreibt eine effektive Verfestigung auf der Basis elastischer Wechselwirkungen zwischen mobilen Versetzungen und sich an der Schicht/Substrat-Grenzfläche ansammelnder Versetzungen. Das zweite Modell bezieht sich auf das Korngrenzendiffusionskriechen und erklärt dessen Behinderung durch die unvollständige laterale elastische Relaxation auf einem Substrat haftender Körner. Das gesamte thermomechanische Verhalten kann nur aus dem Zusammenwirken verschiedener strukturbildender und Plastizitäts-Mechanismen beschrieben werden.

Bibliographische Beschreibung und Referat Dani, Ines "ECR-Plasmadiagnostik im System Ar-H2-N2-TMS und Charakterisierung der entstehenden SiCxNy:H-Schichten" Technische Universität Chemnitz, Institut für Physik, Dissertation, 2002 (102 Seiten, 62 Abbildungen, 17 Tabellen, 74 Literaturstellen) In den letzten Jahren wurde im Rahmen der Entwicklung neuartiger Hartstoffschichten verstärkt das System Si-C-N untersucht. Das am häufigsten zur Herstellung genutzte Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Plasmagestützte CVD-Verfahren bieten die Möglichkeit, auch bei geringen Substrattemperaturen Schichten mit guten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Der Abscheideprozess ist jedoch sehr komplex und bis heute nicht vollständig verstanden. Eine Optimierung erfolgt daher meist nach dem trial-and-error-Prinzip, was aber durch die Vielzahl an frei wählbaren Parametern sehr zeitaufwendig ist. Der Zusammenhang zwischen äußeren, regelbaren Parametern und inneren Entladungsparametern ist die Grundlage für ein besseres Verständnis der Plasmachemie und der Schichtwachstumsprozesse in einem molekularem Nichtgleichgewichtsplasma. Da beschichtende Plasmen besonders hohe Anforderungen an die verwendeten Diagnostikverfahren stellen, ist es in den meisten Fällen nicht möglich, die primär für die Schichtbildung interessanten Teilchen zu beobachten. Nur aus der Kombination sich ergänzender Verfahren können elementare Prozesse der Schichtbildung bestimmt werden. Aus ihrer Kenntnis ergibt sich die Möglichkeit einer gezielten Beeinflussung von Schichteigenschaften auf der Basis physikalisch relevanter Größen. In dieser Arbeit wird die Herstellung von amorphen SiCxNy:H-Schichten mit einem ECR-plasmagestützten CVD-Verfahren untersucht. Als Precursor wird dabei Tetramethylsilan (TMS) genutzt. Das vorrangig zur Bestimmung von Teilchenzahldichten eingesetzte Verfahren ist die optische Emissionsspektroskopie. Eine Weiterentwicklung der Aktinometrie ermöglicht die Bestimmung absoluter Teilchenzahldichten unter Beschichtungsbedingungen. Unter Zugrundelegung des Korona-Modells und der Nutzung publizierter Ratenkoeffizienten werden die Grundzustandsdichten von atomarem Wasserstoff, CH und Silicium berechnet. Die Überprüfung der Methode anhand von Argon zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den optisch bestimmten und den gaskinetisch berechneten Teilchenzahldichten. Die Verfälschung der berechneten Teilchenzahldichten durch dissoziative Anregung von H durch H2 ist in einem Plasma mit H2-Zugabe nicht zu vernachlässigen. Dagegen ist der Einfluss dissoziativer Anregung aus TMS auf H, CH und Si sehr gering. Die Teilchenzahldichten von Si und CH sind bei konstantem TMS-Fluss von der Elektronendichte abhängig, bei steigendem TMS-Fluss kommt es in Abhängigkeit von der jeweiligen Elektronendichte zu einer Sättigung. Die Teilchenzahldichte von atomarem Wasserstoff steigt linear mit dem TMS-Fluss. Eine Abscheidung mit hoher Rate ist nur durch Si-haltige Precursorfragmente mit kleinen Massenzahlen möglich. Als Maß für die Entstehung dieser Fragmente können die Teilchenzahldichten von Si bzw. CH genutzt werden.

Die Methode der Reaktiven Abscheidung wurde benutzt, um zu untersuchen ob und in welcher Weise das Silicidwachstum mittels einer Monolage aus Sb, d.h. mittels eines surfactant (surface active agent), gesteuert werden kann. Hierzu wurden unter UHV-Bedingungen die Metalle Mn, Ti und Ni auf geheizte Si(001) bzw. Si(001)-Sb Substrate abgeschieden. Die Probenanalyse erfolgte durch LEED, RBS, XRD, SEM, TEM und AFM. Die Theorie zum surfactant-gesteuerten Wachstum wird vorgestellt und auf das System des reaktiven Silicidwachstums übertragen. Die Probenanalysen zeigen, dass eine Monolage von Sb in der Lage ist das Wachstum der drei untersuchten Silicide zu beeinflussen. Für das System der Höheren Mangansilicide kommt es zu einer Erhöhung der Inseldichte um bis zu zwei Größenordnungen und zu Änderungen in den Orientierungsbeziehungen der Silicidinseln. Beim Wachstum der Titansilicidschichten konnte durch das surfactant die pinhole-Bildung unterdrückt werden. Das dritte untersuchte Silicid ist das Nickeldisilicid. In diesem Fall wird der Ort der Keimbildung von der Si-Oberfläche in das Volumen des Si-Substrates verschoben, d.h. die Oberfläche wird vollständig passiviert, zusätzlich treten neue Orientierungsbeziehungen auf.

In dieser Arbeit wurden Ni-Si-Ga-Schichten mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert.

In this work the molecular growth mode of several organic molecules was studied using a combination of variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) and Infrared spectroscopy (IR) as investigations tools. As organic systems several Phthalocyanine molecules, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), tris-(8-hydroxyquinoline)-aluminum(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine (a-NPD) were investigated. The ordered growth of the Pcs and PTCDA and their intrinsic optical anisotropy of their planar molecular structure give rise to highly anisotropic layers. In contrast with the planar molecules, Alq3 and a-NPD form homogenous isotropic films with a very low surface roughness. As a non-destructive and very surface sensitive technique, ellipsometry allows the thickness, the surface roughness and optical constants to be accurately determined. From the strong in-plane /out-of-plane anisotropy of the dielectric function the average molecular orientation angle of the Pc’s molecules was determined. The knowledge of the molecular orientation combined with the information accessible from the shape of the Q-band of the Pc can provide an insightful picture of the molecular growth. While the Pc layers grown on HV condition grow with the b-axis (stacking axis) perpendicular to the substrate and F16PcVO lies on the KBr substrates, the Pc samples prepared in UHV adopt a parallel to the substrate b-axis configuration. These results were confirmed by reflection IR measurements performed in s and p polarization. The ellipsometric studies on heterostructures proved that PTCDA has a template effect on the Pc growth and the interaction between this two molecules affects the optical response at the interfaces. In contrast with this system where rough interfaces were assumed in the model, the combination Alq3 / a-NPD gives sharp optical interfaces. The in-situ measurements performed at BESSY proved that sub-monolayer sensitivity can be achieved in the VUV range using spectroscopic ellipsometry and moreover the dielectric function of these ultra-thin films can be determined. A spectral shift towards higher energies of the Alq3 and a-NPD features was observed for sub-monolayers on silicon substrate when compared with the bulk reference. The smaller shift observed for the Alq3 sub-monolayers on ZnO substrate indicate that the effect of the silicon substrate has to be taken into account when explaining the spectral behaviour of the sub-monolayers. / In dieser Arbeit wurde das Wachstum von organischen Molekülschichten mit Hilfe einer Kombination aus spektroskopischer Ellipsometrie mit variablem Einfallswinkel "Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE)" und Infrarotspektroskopie (IR) untersucht. Als organische Systeme wurden verschiedene Phthalocyaninmoleküle (Pc), 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und tris-(8-hydroxochinolin)-Aluminium(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamin (α-NPD) betrachtet. Das geordnete Wachstum der Pcs und von PTCDA führt, bedingt durch die intrinsische optische Anisotropie der planaren organischen Moleküle, zu hochgradig anisotropen Schichten. Im Gegensatz zu den planaren Molekülen bilden Alq3 und α-NPD homogene isotrope Filme mit einer sehr geringen Oberflächenrauigkeit aus. Als eine nicht destruktive und sehr oberflächensensitive Technik, erlaubt es die Ellipsometrie, die Dicke, die Oberflächenrauigkeit und die optischen Konstanten genau zu bestimmen. Aus der starken in-plane / out-of-plane Anisotropie der dielektrischen Funktion wurde der mittlere molekulare Orientierungswinkel der Pc-Moleküle bestimmt. Die Kenntnis der molekularen Orientierung, verknüpft mit der in der Form des Q-Bandes der Pc-Moleküle enthaltenen Information, gewährt Einblick in das molekulare Wachstumsverhalten. Während die Pc-Schichten unter Hochvakuumbedingungen mit der b-Achse (Stapelachse) senkrecht zum Substrat wachsen und F16PcVO sich flach auf die KBr-Substrate legt, nehmen die unter Ultrahochvakuumbedingungen hergestellten Pc-Proben eine parallel zum Substrat liegende b-Achsenanordnung ein. Diese Ergebnisse wurden mit IR-Messungen bestätigt, welche in s- und p-Polarisation durchgeführt wurden. Die ellipsometrischen Untersuchungen an Heterostrukturen haben bewiesen, dass PTCDA einen Template-Effekt auf das Wachstum der aufwachsenden Pc-Schicht hat und dass die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Molekülen die Reaktion an der Grenzflächenschicht beeinflusst. Im Gegensatz zu diesem System, bei dem raue Grenzflächen im Modell verwendet wurden, ergibt die Kombination Alq3 / α-NPD scharfe Grenzflächen. Die in-situ-Messungen, welche bei BESSY durchgeführt wurden, bewiesen, dass Submonolagensensitivität im Vakuum-ultravioletten Spektralbereich mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie erreicht und zudem die dielektrische Funktion bestimmt werden kann. Verglichen mit dicken Schichten als Referenz, wurde auf Siliziumsubstraten für Submonolagen eine spektrale Verschiebung der Alq3- and α-NPD-Absorptionsbanden zu höheren Energien beobachtet. Die kleinere Verschiebung, die für Alq3-Submonolagen auf ZnO-Substraten beobachtet wurde, deutet an, dass der Einfluss des Siliziumsubstrates in Betracht gezogen werden muss, wenn man das spektrale Verhalten der Submonolagen erklären will.

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In dieser Arbeit wurden Ni-Si-Ga-Schichten mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert.