Glow Discharge Optical Emission Spectrometry (GD OES) has proved to be a versatile analytical technique for the direct analysis of solid samples. The application of a pulsed power supply to the glow discharge (GD) has a number of advantages in comparison with a continuous one and thereby broadens the analytical potential of the GD. However, because the pulsed GD (PGD) is a relatively new operation mode, the pulsing and plasma parameters as well as their influence on the analytical performance of the GD are not yet comprehensively studied. The aim of this dissertation consists in the investigation of the PGD features, which are crucial for both understanding the discharge plasma processes and analytical applications. The influence of the pulsing parameters on the PGD is ascertained and compared for direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges. In the research attention is firstly paid on the electrical parameters of PGD, then on the sputtered crater shapes, sputtering rates and finally on the light emission. It is found that the sputtered crater shape is strongly affected by the duration of the applied pulses even when the duty cycle is fixed. The pulse length influences the intensity of the light emission as well (at constant duty cycle). Moreover this influence is different for emission lines of atoms and ions in the plasma. This phenomenon can be seen at the comparison of atomic and ionic lines of different elements. The voltage–current plots of the PGD are found to indicate heating of the discharge gas when operating at high duty cycles. Using this feature a new method for the estimation of the discharge gas temperature from the voltage-current characteristics of the PGD is developed. The calculated temperature values are compared with another temperature measurement technique. Different temperature estimation procedures have shown that the discharge gas temperature can be reduced by around 100 K when PGD is applied. The temperature measurements have also confirmed that the gas heating can be adjusted by variation of the pulsing parameters. The effect of sputtering on the Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) layer surface of the solar cells is described for the first time. SEM investigations of the CIGSe layer of the solar cells have shown that sputter induced effects can be reduced by variation of the pulsing parameters. With regard to the question whether dc and rf pulsed discharges behave similarly: nearly all phenomena found with dc discharges also appear in the rf case. Hence it is concluded that the pulsed rf and dc discharges are very similar in terms of the electrical properties, sputtered crater formation, light emission and temperature. It is concluded that matrix specific, as well as matrix independent quantification principles and the intensity correction developed by Arne Bengtson can be applied for the pulsed mode, if special conditions are fulfilled. CIGSe solar cell samples and thin layered electrode metallizations of SAW devices are measured and quantified with application of PGD. The proposed quantification procedures are performed at commercial GD OES devices and can be used for the analysis with application of pulsed rf discharge. The studies of the PGD performed in this dissertation are relevant for the application of the GD OES analysis in materials science. During the collaborative work with Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie and with the research group of Dr. Thomas Gemming at IFW Dresden the optimized pulsed GD OES measurements could be successfully applied at the investigation of thin film solar cells with CIGSe light absorbing layer and electrode matallizations of SAW devices. In case of solar cell samples pulsed GD OES depth profiling along with SIMS measurements reveal the role of the Al2O3 barrier layer in high efficiency solar cells consisting of a CIGSe/Mo/Al2O3/steel substrate layer stack (the barrier layer is to prevent the Fe diffusion into the CIGSe). The features of the CIGSe films growth are studied with help of pulsed GD OES and in situ synchrotron XRD measurements. The diffusion coefficient of Zn into the CuInS2 layer is determined for the first time from the measured GD OES depth profiles of the corresponding solar cell samples. In case of SAW samples, pulsed GD OES measurements helped to evaluate the different SAW electrode preparation procedures and to select the most suitable one. In addition pulsed GD OES depth profiling along with XPS, TEM-EDX and electrode lifetime measurements indicate the possible mechanism of power durability and lifetime improvement of the SAW devices when a small amount of Al is added to the Cu-based electrodes. / Die optische Glimmentladungsspektroskopie (engl. Glow Discharge Optical Emission Spectrometry - GD OES) hat sich als eine vielfältige und schnelle Methode für die direkte Analyse von festen Materialien erwiesen. Die Anwendung von gepulsten Glimmentladungen (GD) bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu einer kontinuierlichen Entladung und erweitert dadurch das analytische Potential der Methode. Die praktische Anwendung von gepulsten GD erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Prozesse, die in der Entladung und im elektrischen System ablaufen. Der Einfluss der Puls- und Plasmaparameter auf die analytische Leistung der gepulsten GD ist bislang noch nicht umfassend erforscht worden. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Eigenschaften der gepulsten GD, welche von besonderer Bedeutung sowohl für das Verständnis des Entladungsprozesses als auch für analytische Anwendungen ist. Die Auswirkungen der Pulsparameter auf die gepulste GD wurde für den Gleichstrom-(DC) und Hochfrequenz- (HF) Modus untersucht und verglichen. Die Reihenfolge der Untersuchungen wurde in dieser Arbeit wie folgt gewählt: elektrische Parameter, Sputterkraterformen, Sputterraten und Lichtemission. Die Form des Sputterkraters korreliert stark mit der Pulsdauer, selbst wenn das Tastverhältnis konstant ist. Die Pulsdauer beeinflusst nicht nur die Kraterform, sondern auch die Intensität der Emissionslinien (bei konstantem Tastverhältnis). Darüber hinaus ist dieser Einfluss unterschiedlich für Atome und Ionen. Dieses Verhalten wurde an mehreren Emissionslinien (atomar bzw. ionisch) nachgewiesen. Aus der Analyse der U-I-Kennlinien der gepulsten GD ergab sich, dass es zu einer Erhitzung des Plasmas bei höherem Tastverhältnis kommt. Dieser Effekt wurde zur Bestimmung der Plasma-Gastemperatur ausgenutzt. Die ermittelten Temperaturen wurden mit einer andere Methode verglichen. Aus der Abschätzung ergab sich, dass die Plasmatemperatur bei gepulsten GD um bis zu 100 K gesenkt werden und durch die Pulsparameter genauer eingestellt werden kann. Der Einfluss des Sputterns auf Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschichten von Solarzellen wurde erstmals beschrieben. REM-Untersuchungen an GD-gesputterten CIGSe Schichten haben gezeigt, dass die Sputtereffekte durch die Variation der Pulsparameter reduziert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass HF- und DC-Entladungen dieselben Effekte aufweisen und sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass DC- und HF-Entladungen in Bezug auf elektrische Eigenschaften, Kraterformen, Lichtemission und Temperatur sehr ähnlich sind. Die Quantifizierung der mit gepulsten GD gemessenen Tiefenprofile ergab ferner, dass die Anwendung der Quantifizierungsmethoden für den kontinuierlichen Modus unter den gegebenen Bedingungen zulässig ist. Die Tiefenprofile von Solarzellen-Schichten sowie SAW-Metallisierungen wurden anhand gepulster GD gemessen und quantifiziert. Die empfohlenen Quantifizierungsmethoden können mit kommerziellen GD OES-Geräten durchgeführt werden. Die Untersuchungen an gepulsten GD sind insbesondere relevant für GD OES-Anwendungen im Bereich der Werkstoffwissenschaft. Während der Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Arbeitsgruppe von Dr. Thomas Gemming (IFW Dresden) konnten optimierte, gepulste GD OES Messungen erfolgreich zur Untersuchung von Dünnschicht-Solarzellen bzw. hochleistungsbeständigen SAW-Metallisierungen angewendet werden. Für die Solarzellen haben GD OES und SIMS Messungen geholfen, die Rolle der Al2O3-Barriere in CIGSe/Mo/Al2O3 Schichtstapeln auf flexiblem Stahlsubstrat besser zu verstehen (Al2O3 soll die Diffusion der Fe-Atome in CIGSe verhindern). Die gemeinsame Untersuchung getemperter CIGSe-Schichten mit gepulster GD OES und in-situ Synchrotron-XRD ergab neue Erkenntnisse zum Schichtwachstum. Der Diffusionskoeffizient von Zn in CuInS2 wurde erstmals aus GD OES-Tiefenprofilen bestimmt. Im Fall der SAW-Metallisierungen konnte die GD OES zur Bestimmung des geeignetsten Herstellungsverfahrens einen wichtigen Beitrag leisten. Die gepulste GD OES hat neben anderen Untersuchungsmethoden wie TEM-EDX, XPS und Lebensdauermessungen die Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Cu-Metallisierungen durch geringen Al-Zusatz aufklären können.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Dünnfilmwachstum der ternären Oxide Na2IrO3, Li2IrO3, Y2Ir2O7 und YBiO3. All diesen oxidischen Materialien ist gemein, dass sie Verwirklichungen sogenannter Topologischer Isolatoren oder Spin-Flüssigkeiten sein könnten. Diese neuartigen Materiezustände versprechen eine zukünftige Anwendung in der Quantencomputation, in magnetischen Speichern und in elektrischen Geräten mit geringer Leistungsaufnahme. Die Herstellung der hier gezeigten Dünnfilme ist daher ein erster Schritt zur Umsetzung dieser Anwendungen in der Zukunft. Alle Dünnfilme werden mittels gepulster Laserplasmaabscheidung auf verschiedenen einkristallinen Substraten hergestellt. Die strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften der Filme werden mittels etablierter experimenteller Verfahren wie Röntgenbeugung, spektroskopischer Ellipsometrie und elektrischenWiderstandsmessungen untersucht. Die strukturellen Eigenschaften von erstmalig in der Masterarbeit des Authors verwirklichten Na2IrO3-Dünnfilmen können durch Abscheidung einer ZnO-Zwischenschicht deutlich verbessert werden. Einkristalline Li2IrO3-Dünnfilme mit einer definierten Kristallausrichtung werden erstmalig hergestellt. Die Messung der dielektrischen Funktion gibt Einblick in elektronische Anregungen, die gut vergleichbar mit Li2IrO3-Einkristallen und verwandten Iridaten sind. Des Weiteren wird aus den Daten eine optische Energielücke von ungefähr 300 meV bestimmt. In Y2Ir2O7-Dünnfilmen wird eine mögliche (111)-Vorzugsorientierung in Wachstumsrichtung gefunden. Im Vergleich mit der chemischen Lösungsabscheidung zeigen die hier mittels gepulster Laserplasmaabscheidung hergestellten YBiO3-Dünnfilme eine definierte, biaxiale Kristallausrichtung in der Wachstumsebene bei einer deutlich höheren Schichtdicke. Über die gemessene dielektrische Funktion können eine direkte und indirekte Bandlücke bestimmt werden. Deren Größe gibt eine notwendige experimentelle Rückmeldung an theoretische Berechnungen der elektronischen Bandstruktur von YBiO3, welche zur Vorhersage der oben erwähnten, neuartigen Materiezuständen verwendet werden. Nach einer Einleitung und Motivation dieser Arbeit gibt das zweite Kapitel einen Überblick über den gegenwärtigen Forschungsstand der hier untersuchten Materialien. Die folgenden zwei Kapitel beschreiben die Probenherstellung und die verwendeten experimentellen Untersuchungsmethoden. Anschließend werden für jedes Material einzeln die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit diskutiert. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick. / The present thesis reports on the thin film growth of ternary oxides Na2IrO3, Li2IrO3, Y2Ir2O7 and YBiO3. All of these oxides are candidate materials for the so-called topological insulator and spin liquid, respectively. These states of matter promise future application in quantum computation, and in magnetic memory and low-power electronic devices. The realization of the thin films presented here, thus represents a first step towards these future device applications. All thin films are prepared by means of pulsed laser deposition on various single-crystalline substrates. Their structural, optical and electronic properties are investigated with established experimental methods such as X-ray diffraction, spectroscopic ellipsometry and resistivity measurements. The structural properties of Na2IrO3 thin films, that were previously realized in the author’s M. Sc. thesis for the first time, are improved significantly by deposition of an intermediate ZnO layer. Single-crystalline Li2IrO3 thin films are grown for the first time and exhibit a defined crystal orientation. Measurement of the dielectric function gives insight into electronic excitations that compare well with single crystal samples and related iridates. From the data, an optical energy gap of about 300 meV is obtained. For Y2Ir2O7 thin films, a possible (111) out-of-plane preferential crystal orientation is obtained. Compared to chemical solution deposition, the pulsed laser-deposited YBiO3 thin films presented here exhibit a biaxial in-plane crystal orientation up to a significantly larger film thickness. From the measured dielectric function, a direct and indirect band gap energy is determined. Their magnitude provides necessary experimental feedback for theoretical calculations of the electronic structure of YBiO3, which are used in the prediction of the novel states of matter mentioned above. After the introduction and motivation of this thesis, the second chapter reviews the current state of the science of the studied thin film materials. The following two chapters introduce the sample preparation and the employed experimental methods, respectively. Subsequently, the experimental results of this thesis are discussed for each material individually. The thesis concludes with a summary and an outlook.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Grenzflächenausbildung von dünnen Tantal- und Titan-basierenden Schichten zu den piezoelektrischen Substratmaterialien Lithiumniobat sowie Lithiumtantalat, als Teil eines Schichtstapels für die Metallisierung akustischer Oberflächenbauelemente. Ziel ist es das grundlegende Verständnis für die chemischen Wechselwirkungen beim Aufwachsen der Schichten, ihrer thermischen und zeitlichen Stabilität sowie ihrer Effekte auf das Schichtwachstum einer Deckschicht bestehend aus Aluminium zu gewinnen. Ein Schwerpunkt war die Präparation der Substratoberflächen hinsichtlich einer Oberflächenreinigung und -modifikation. Zu diesem Zweck wurden neben verschiedenen Standard-Verfahren auch eine eigens angefertigte plasmagestützte Oberflächenbehandlung systematisch analysiert. Auf derart präparierten Substraten fanden im Folgenden die Schichtabscheidung und die Analyse des Schichtwachstums, hauptsächlich mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie, statt. Anhand von thermischen Belastungen sowie zeitlicher Veränderungen der Schichten im Vakuum konnten grundlegende Aussagen zur Stabilität der Grenzflächen gewonnen werden. Zur Komplettierung des Schichtstapels wurden auf ausgewählten Substrat-Schicht Kombinationen das Wachstum von Aluminiumschichten hinsichtlich ihrer unterschiedlicher Texturbildung analysiert und Aussagen zur Relevanz chemischer Ursachen getroffen. / This dissertation addresses the interface formation between thin Tantalum and Titanium based layers onto the piezoelectric substrate materials Lithiumniobate and Lithiumtantalate as part of a metallisation stack for surface acoustic wave devices. The goal is to extend the fundamental knowledge of chemical interactions during layer growth, its thermal and temporal stability plus its effects on the layer growth of an Aluminium cover layer. One focus lies on the preparation of the substrate surfaces for cleaning and modification purpose. For this, besides standard procedures a specially built plasma-based device was systematically evaluated for surface treatment. The following layer deposition was then implemented onto these prepared substrate surfaces and mainly analysed by angle-resolved photoelectron spectroscopy. By the means of thermal load and temporal alteration of the layers in vacuum essential knowledge about the interface stability was gained. For the completion of a whole layer stack selected substrate-layer combinations were covered with Aluminum and its layer growth was analysed with respect to the different formation of texture and its potential chemical cause.

Two thienoacene dimers based on the thieno[3,2-b]thiophene moiety were efficiently synthesized, characterized and evaluated as active hole-transporting layers in organic thin-film field-effect transistors. Both compounds behaved as active p-channel organic semi-conductors showing averaged hole mobility of up to 1.33 cm² V⁻¹ s⁻¹.

In Silizium-Nanokristall-Speichern werden im Gate-Oxid eines Feldeffekttransistors eingebettete Silizium Nanokristalle genutzt, um Elektronen lokal zu speichern. Die gespeicherte Ladung bestimmt dann den Zustand der Speicherzelle. Ein wichtiger Aspekt in der Technologie dieser Speicher ist die Erzeugung der Nanokristalle mit einerwohldefinierten Größenverteilung und einem bestimmten Konzentrationsprofil im Gate-Oxid. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu ein sehr flexibler Ansatz untersucht: die thermische Ausheilung von SiO2/SiOx (x < 2) Stapelschichten. Es wurde ein Sputterverfahren entwickelt, das die Abscheidung von SiO2 und SiOx Schichten beliebiger Zusammensetzung erlaubt. Die Bildung der Nanokristalle wurde in Abhängigkeit vom Ausheilregime und der SiOx Zusammensetzung charakterisiert, wobei unter anderem Methoden wie Photolumineszenz, Infrarot-Absorption, spektroskopische Ellipsometrie und Elektronenmikroskopie eingesetzt wurden. Anhand von MOS-Kondensatoren wurden die elektrischen Eigenschaften derart hergestellter Speicherzellen untersucht. Die Funktionalität der durch Sputterverfahren hergestellten Nanokristall-Speicher wurde erfolgreich nachgewiesen. / In silicon nanocrystal memories, electronic charge is discretely stored in isolated silicon nanocrystals embedded in the gate oxide of a field effect transistor. The stored charge determines the state of the memory cell. One important aspect in the technology of silicon nanocrystal memories is the formation of nanocrystals near the SiO2-Si interface, since both, the size distribution and the depth profile of the area density of nanocrystals must be controlled. This work has focussed on the formation of gate oxide stacks with embedded nanocrystals using a very flexible approach: the thermal annealing of SiO2/SiOx (x < 2) stacks. A sputter deposition method allowing to deposit SiO2 and SiOx films of arbitrary composition has been developed and optimized. The formation of Si NC during thermal annealing of SiOX has been investigated experimentally as a function of SiOx composition and annealing regime using techniques such as photoluminescence, infrared absorption, spectral ellipsometry, and electron microscopy. To proof the concept, silicon nanocrystal memory capacitors have been prepared and characterized. The functionality of silicon nanocrystal memory devices based on sputtered gate oxide stacks has been successfully demonstrated.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung geordneter C60-Schichten, ihre elektrochemische Nanostrukturierung in wässrigen Lösungen und ionischen Flüssigkeiten und den Einsatz geordneter und nanostrukturierter Fullerenschichten in organischen Dünnschichttransistoren. Geordnete C60-Schichten wurden durch thermische Verdampfung im Hochvakuum hergestellt. Als Substratmaterial wurden HOPG (Graphit), Glimmer und einkristallines Silizium verwendet. Die größten einkristallinen Bereiche werden auf HOPG-Substraten erhalten. Die laterale Ausdehnung der C60-Kristallite parallel zu den Graphitstufen kann bis zu 50 µm erreichen, orthogonal zu den Stufen ist das Wachstum durch die Graphitstufen begrenzt. Die elektrochemische Reduktion von C60 -Schichten in wässriger Lösung ist elektrochemisch irreversibel. Die geflossene Ladung beträgt ein Vielfaches der theoretisch möglichen Menge. Durch die Reduktion tritt eine Nanostrukturierung der Schichtoberfläche ein, die Größe der gebildeten Cluster beträgt 20 nm bis 50 nm. Fullerenpolymere und hydriertes C60 sind die chemischen Hauptprodukte der elektrochemischen Nanostrukturierung in wässriger Lösung. Die Reduktion von Fullerenschichten in ionischen Flüssigkeiten ist aufgrund der geschlossenen Schichtoberfläche und des starken Potentialabfalls in der Fullerenschicht zunächst kinetisch gehemmt und setzt erst bei negativeren Potentialen im Bereich der Reduktion zum C60-Dianion ein. Die Reduktion der Fullerenschichten ist elektrochemisch irreversibel, zum Teil aber chemisch reversibel. Es konnte erstmals der Einsatz nanostrukturierter C60 -Schichten als aktives Halbleitermaterial in Feldeffekt-Transistoren gezeigt werden. Für die Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Feldeffekt-Transistoren wurde 11-(3-Thienyl-)undecyl-trichlorosilan als Haftvermittler eingesetzt. Die gezeigten Ergebnisse von C60 -Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und der erfolgreichen Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Transistorstrukturen zeigen die Möglichkeiten des C60 als aktives Halbleitermaterial auf.

Glow Discharge Optical Emission Spectrometry (GD OES) has proved to be a versatile analytical technique for the direct analysis of solid samples. The application of a pulsed power supply to the glow discharge (GD) has a number of advantages in comparison with a continuous one and thereby broadens the analytical potential of the GD. However, because the pulsed GD (PGD) is a relatively new operation mode, the pulsing and plasma parameters as well as their influence on the analytical performance of the GD are not yet comprehensively studied. The aim of this dissertation consists in the investigation of the PGD features, which are crucial for both understanding the discharge plasma processes and analytical applications. The influence of the pulsing parameters on the PGD is ascertained and compared for direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges. In the research attention is firstly paid on the electrical parameters of PGD, then on the sputtered crater shapes, sputtering rates and finally on the light emission. It is found that the sputtered crater shape is strongly affected by the duration of the applied pulses even when the duty cycle is fixed. The pulse length influences the intensity of the light emission as well (at constant duty cycle). Moreover this influence is different for emission lines of atoms and ions in the plasma. This phenomenon can be seen at the comparison of atomic and ionic lines of different elements. The voltage–current plots of the PGD are found to indicate heating of the discharge gas when operating at high duty cycles. Using this feature a new method for the estimation of the discharge gas temperature from the voltage-current characteristics of the PGD is developed. The calculated temperature values are compared with another temperature measurement technique. Different temperature estimation procedures have shown that the discharge gas temperature can be reduced by around 100 K when PGD is applied. The temperature measurements have also confirmed that the gas heating can be adjusted by variation of the pulsing parameters. The effect of sputtering on the Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) layer surface of the solar cells is described for the first time. SEM investigations of the CIGSe layer of the solar cells have shown that sputter induced effects can be reduced by variation of the pulsing parameters. With regard to the question whether dc and rf pulsed discharges behave similarly: nearly all phenomena found with dc discharges also appear in the rf case. Hence it is concluded that the pulsed rf and dc discharges are very similar in terms of the electrical properties, sputtered crater formation, light emission and temperature. It is concluded that matrix specific, as well as matrix independent quantification principles and the intensity correction developed by Arne Bengtson can be applied for the pulsed mode, if special conditions are fulfilled. CIGSe solar cell samples and thin layered electrode metallizations of SAW devices are measured and quantified with application of PGD. The proposed quantification procedures are performed at commercial GD OES devices and can be used for the analysis with application of pulsed rf discharge. The studies of the PGD performed in this dissertation are relevant for the application of the GD OES analysis in materials science. During the collaborative work with Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie and with the research group of Dr. Thomas Gemming at IFW Dresden the optimized pulsed GD OES measurements could be successfully applied at the investigation of thin film solar cells with CIGSe light absorbing layer and electrode matallizations of SAW devices. In case of solar cell samples pulsed GD OES depth profiling along with SIMS measurements reveal the role of the Al2O3 barrier layer in high efficiency solar cells consisting of a CIGSe/Mo/Al2O3/steel substrate layer stack (the barrier layer is to prevent the Fe diffusion into the CIGSe). The features of the CIGSe films growth are studied with help of pulsed GD OES and in situ synchrotron XRD measurements. The diffusion coefficient of Zn into the CuInS2 layer is determined for the first time from the measured GD OES depth profiles of the corresponding solar cell samples. In case of SAW samples, pulsed GD OES measurements helped to evaluate the different SAW electrode preparation procedures and to select the most suitable one. In addition pulsed GD OES depth profiling along with XPS, TEM-EDX and electrode lifetime measurements indicate the possible mechanism of power durability and lifetime improvement of the SAW devices when a small amount of Al is added to the Cu-based electrodes. / Die optische Glimmentladungsspektroskopie (engl. Glow Discharge Optical Emission Spectrometry - GD OES) hat sich als eine vielfältige und schnelle Methode für die direkte Analyse von festen Materialien erwiesen. Die Anwendung von gepulsten Glimmentladungen (GD) bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu einer kontinuierlichen Entladung und erweitert dadurch das analytische Potential der Methode. Die praktische Anwendung von gepulsten GD erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Prozesse, die in der Entladung und im elektrischen System ablaufen. Der Einfluss der Puls- und Plasmaparameter auf die analytische Leistung der gepulsten GD ist bislang noch nicht umfassend erforscht worden. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Eigenschaften der gepulsten GD, welche von besonderer Bedeutung sowohl für das Verständnis des Entladungsprozesses als auch für analytische Anwendungen ist. Die Auswirkungen der Pulsparameter auf die gepulste GD wurde für den Gleichstrom-(DC) und Hochfrequenz- (HF) Modus untersucht und verglichen. Die Reihenfolge der Untersuchungen wurde in dieser Arbeit wie folgt gewählt: elektrische Parameter, Sputterkraterformen, Sputterraten und Lichtemission. Die Form des Sputterkraters korreliert stark mit der Pulsdauer, selbst wenn das Tastverhältnis konstant ist. Die Pulsdauer beeinflusst nicht nur die Kraterform, sondern auch die Intensität der Emissionslinien (bei konstantem Tastverhältnis). Darüber hinaus ist dieser Einfluss unterschiedlich für Atome und Ionen. Dieses Verhalten wurde an mehreren Emissionslinien (atomar bzw. ionisch) nachgewiesen. Aus der Analyse der U-I-Kennlinien der gepulsten GD ergab sich, dass es zu einer Erhitzung des Plasmas bei höherem Tastverhältnis kommt. Dieser Effekt wurde zur Bestimmung der Plasma-Gastemperatur ausgenutzt. Die ermittelten Temperaturen wurden mit einer andere Methode verglichen. Aus der Abschätzung ergab sich, dass die Plasmatemperatur bei gepulsten GD um bis zu 100 K gesenkt werden und durch die Pulsparameter genauer eingestellt werden kann. Der Einfluss des Sputterns auf Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschichten von Solarzellen wurde erstmals beschrieben. REM-Untersuchungen an GD-gesputterten CIGSe Schichten haben gezeigt, dass die Sputtereffekte durch die Variation der Pulsparameter reduziert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass HF- und DC-Entladungen dieselben Effekte aufweisen und sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass DC- und HF-Entladungen in Bezug auf elektrische Eigenschaften, Kraterformen, Lichtemission und Temperatur sehr ähnlich sind. Die Quantifizierung der mit gepulsten GD gemessenen Tiefenprofile ergab ferner, dass die Anwendung der Quantifizierungsmethoden für den kontinuierlichen Modus unter den gegebenen Bedingungen zulässig ist. Die Tiefenprofile von Solarzellen-Schichten sowie SAW-Metallisierungen wurden anhand gepulster GD gemessen und quantifiziert. Die empfohlenen Quantifizierungsmethoden können mit kommerziellen GD OES-Geräten durchgeführt werden. Die Untersuchungen an gepulsten GD sind insbesondere relevant für GD OES-Anwendungen im Bereich der Werkstoffwissenschaft. Während der Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Arbeitsgruppe von Dr. Thomas Gemming (IFW Dresden) konnten optimierte, gepulste GD OES Messungen erfolgreich zur Untersuchung von Dünnschicht-Solarzellen bzw. hochleistungsbeständigen SAW-Metallisierungen angewendet werden. Für die Solarzellen haben GD OES und SIMS Messungen geholfen, die Rolle der Al2O3-Barriere in CIGSe/Mo/Al2O3 Schichtstapeln auf flexiblem Stahlsubstrat besser zu verstehen (Al2O3 soll die Diffusion der Fe-Atome in CIGSe verhindern). Die gemeinsame Untersuchung getemperter CIGSe-Schichten mit gepulster GD OES und in-situ Synchrotron-XRD ergab neue Erkenntnisse zum Schichtwachstum. Der Diffusionskoeffizient von Zn in CuInS2 wurde erstmals aus GD OES-Tiefenprofilen bestimmt. Im Fall der SAW-Metallisierungen konnte die GD OES zur Bestimmung des geeignetsten Herstellungsverfahrens einen wichtigen Beitrag leisten. Die gepulste GD OES hat neben anderen Untersuchungsmethoden wie TEM-EDX, XPS und Lebensdauermessungen die Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Cu-Metallisierungen durch geringen Al-Zusatz aufklären können.

This work deals with the structural and dielectric properties of Bariumtitanate (BTO) / Strontiumtitanate (STO) superlattices. The investigations were carried during the research for a doctoral thesis on the IFW Dresden, Institute for Metallic Materials (under supervision of Prof. Schulz). These multilayers have been prepared on single crystalline STO of (100) and (111) orientated substrates. All films where grown in an epitaxial mode. Additional superlattices and Bariumstrontiumtitanate (BSTO) thin films on silicon substrates with platinum bottom electrodes have been prepared. Thereby, (111) fibre-textured polycrystalline superlattices were produced. According to our knowledge this result was achieved for the first time (is unique in the world at the moment). According to high resolution TEM investigations of (001) oriented superlattices multilayers with atomically thin interfaces without noticeable interdiffusion have been prepared. XRD pattern of a multilayer consisting of BTO and STO monolayers that have only a thickness adequate one unit cell of BTO respective STO confirm this assumption. Multilayers on (111) oriented STO substrates show a much higher interface roughness than (001) orientated films. Regarding to the examinations in this thesis it is suggested that the roughness is correlated with the reduction of internal stresses by deformation of the stack and not with interdiffusion between the monolayers. For electrical measurements the film thickness has been varied from 30 nm to 300 nm and the periodicity in the range from 0.8 nm to 20 nm. Additionally, BSTO films of equivalent thickness and integral chemical composition were produced. Dielectical measurements were carried out in the temperature range from 20 K to 600 K and hysteresis measurements were done. It has to be pointed out, that multilayers have always lower dielectrical performances then BSTO films. In all cases the dielectric constant (DC) decreases with decreasing film thickness. Multilayers of a small periodicity show the highest DC?s, decreasing with increasing monolayer thickness in all cases. The maximum of DC shifted with decreasing film thickness to higher temperatures thus correlating with an increase of the out of plane lattice parameter. In this paper the mismatch between the stack respectivly the BSTO layers and the substrate has widely been discussed. In the case of BSTO the dielectric data can be qualitatively explained with the theory of strained films, developed mainly by Pertsev, under the assumption of a strain gradient in the thin film. Strain effects do also play an important role in ferroelectric multilayers as well as size and coupling effects between the monolayers. An adequate theory for the description of the dielectric behaviour of the ferroelectric superlattice produced during this research does yet not exist. Some thesis where pointed out, which effects have to be essentially included in to a consistent theory of ferroelectric multilayer. Some practical tips are also given, how to prepare monolayers and superlattices with very high DC and exellent hysteretic behaviour. / Es wurden (001) und (111) orientierte symmetrische BTO/STO-Multilagen auf niobdotierten STO-Einkristallen abgeschieden. Hierbei wurde sowohl die Gesamtschichtdicke, als auch deren Periodizität variiert. Zum Vergleich wurden weiterhin Ba0.5Sr0.5TiO3-Mischschichten unterschiedlicher Dicke präpariert. Aus den HRTEM und XRD Untersuchungen kann geschlossen werden, dass alle erhaltenen Schichten sowohl phasenrein als auch perfekt biaxial texturiert sind. Im Falle der (001) orientierten Multilagen konnten atomar scharfe Grenzflächen zwischen Einzellagen erhalten werden, wobei sich die Einzellagendicke bis auf eine Monolage (0.4 nm) reduzieren lässt. Aus der Schichtdickenabhängigkeit von d(001), dem mittleren out-of-plane Gitterparameter der Schicht, wird geschlossen, dass die Schichten auf den STO-Einkristallen Spannungsgradienten in den Schicht-normalen besitzen und an der Grenzfläche zum Substrat am stärksten verspannt sind. Die (111) orientierten Multilagen auf den STO-Einkristallen zeigen gegenüber den Schichten auf den (100) orientierten STO-Einkristallen eine deutlich erhöhte Interfacerauhigkeit. Vermutet wird, dass dies einerseits durch die andere kristallographische Orientierung der Wachstumsnormalen bedingt ist, weil damit jeweils keine geschlossenen SrO- bzw. BaO- und TiO3-Lagen ausgebildet werden. Andererseits zeigen die TEM-Aufnahmen eine deutliche Zunahme der Welligkeit der Einzellagen mit wachsendem Abstand vom Substrat, die rein mechanischen Effekten zugeschrieben wird. Die Verwölbung der Einzellagen könnte damit der Reduzierung der mechanischen Energie innerhalb des Systems dienen, wobei die Netzebenen dem Verlauf der Einzellagen folgen. Auf platinbeschichteten Siliziumsubstraten konnten erstmals phasenreine (111) fasertexturierte Mischschichten und BTO/STO-Multilagen abgeschieden werden. Grundlage hierfür war die Optimierung des Pt/Ti/SiO2/Si Schichtsystems hinsichtlich seiner thermischen Stabilität bis zu 800°C. Die Textur der Schichten wird von der Platingrundelektrode übernommen und deren Rauhigkeit teilweise verstärkt. Eine mechanische Verwölbung der Einzellagen konnte hier nicht beobachtet werden. Für die elektrischen Messungen wurden auf allen Schichten etwa 50 nm dicke Platinelektroden durch eine Hartmaske mittels Elektronenstrahlverdampfung im Hochvakuum bei etwa 300°C aufgebracht. Anschließend wurden die Schichten an Luft getempert, um das Sauerstoffdefizit, dass sich bei der Elektrodenabscheidung einstellt, auszugleichen. Die elektrischen Messungen zeichnen sich durch den sehr großen untersuchten Temperaturbereich aus. Temperaturabhängige Messungen im Bereich von 30-600 K finden sich für ferroelektrische Dünnschichten sehr selten in der Literatur und stellen für BTO/STO-Multilagen ein Novum dar. Auch die biasabhängige und teilweise auch temperaturabhängige Messung der Kapazität der Multilagen (C-V-Messungen) ist bisher einmalig. Durch die temperaturabhängigen Hysteresemessungen wurden Einblicke in den elektrischen Polungszustand der Schichten erhalten. Dadurch wird eine sinnvolle Interpretation der ε(T)-Kurven erst möglich. Der Vorteil der Integration des Polarisationsstromes unter Verwendung einer Dreieckspannung als Messsignal besteht in der direkten physikalischen Aussage der Strom-Spannungskurven über die Schaltspannung der Schichten.

Die Effizienz von Verbindungshalbleitern hängt von ihrer lokalen Zusammensetzung und ihrer räumlichen Elementverteilung ab. Um die opto-elektronischen Eigenschaften solcher Bauelemente zu optimieren, ist ein detailliertes Verständnis und die Kontrolle der Zusammensetzungsgradienten entscheidend. Industriell wichtige Bauelemente sind Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen, die eine hohe Effizienz in Kombination mit einem geringen Materialbedarf und einer hohen elastischen Flexibilität bieten. Ein gängiges Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarzellenabsorber ist das Annealen bei hohen Temperaturen. Im Gegensatz zu dem, was bei Fick'schen Diffusionsprozessen zu erwarten wäre – führt dieses regelmäßig zur Bildung steiler und stabiler Zusammensetzungsgradienten, die oft von den optimalen Profilen für hocheffiziente Absorber abweichen. In dieser Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf den mechanischen Spannungen, die sich im Inneren von Dünnschichten entwickeln, und auf deren Auswirkungen auf Diffusionsprozesse und die mikrostrukturelle Entwicklung des Materials. Es wird gezeigt, dass die Bildung von elastischen Spannungen die endgültigen Elementverteilungen stark beeinflusst und sogar zur Bildung von starken und stabilen Zusammensetzungsgradienten führt. In dieser Arbeit wird weiterhin argumentiert, dass die Wirkung der Spannungen auf die Gleichgewichts-Zusammensetzungsprofile von den mikrostrukturellen Eigenschaften des Materials abhängen kann, insbesondere vom Vorhandensein von Leerstellenquellen. Ein Vergleich numerischer Berechnungen mit Echtzeitdaten der energiedispersiven Röntgenbeugung, die während der Dünnschichtsynthese in-situ erfasst wurden, hilft zu zeigen, dass die so entwickelten Interdiffusionsmodelle die experimentell beobachteten Beugungsspektren und insbesondere die Stagnation der Interdiffusion vor Erreichen der vollständigen Durchmischung teilweise reproduzieren können. / The operational efficiency of compound semiconductors regularly depends on their local elemental composition and on the spatial distribution of contained elements. To optimize the opto-electronic properties of such devices, a detailed understanding and control of compositional gradients is crucial. Industrially important devices are thin-film solar cell absorber layers which deliver high photo-conversion efficiencies in combination with a low demand of material and high elastic flexibility. These materials use local variations in composition to tune their opto-electronic properties. A common fabrication process for thin-film solar cell absorbers involves annealing at high temperatures to achieve specific compositional gradients, which – contrary to what could be expected from simple Fickian diffusion processes – regularly results in the formation of steep and stable compositional gradients, often deviating from the optimal profiles for high-efficiency absorbers. In this work attention is focused especially on mechanical stresses developing inside thin-films and on their effects on diffusion processes and on the material’s micro-structural evolution. It is shown that the formation of elastic stresses strongly influences the final elemental distributions, even leading to the formation of strong and stable final compositional gradients. However, this thesis also argues that their exact effect on equilibrium composition profiles may depend on the detailed micro-structural properties of the material, especially on the presence of vacancy sources and sinks. A comparison of numerical calculations with real-time synchroton-based energy-dispersive X-ray diffraction data acquired in-situ during thin-film synthesis helps to demonstrate that the such developed interdiffusion models can partly reproduce the experimentally observed diffraction spectra and, especially, the stagnation of interdiffusion before total intermixing is achieved.

In der vorliegenden Arbeit werden der Entwurf, die Technologie und die Parameteridentifikation von Silizium basierten mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) mit piezoelektrischen Dünnschicht-Aluminiumnitrid (AlN) vorgestellt. Auf Basis des AlNs als elektromechanischer Wandler erfolgt die Fertigung eines MEMS Technologiedemonstrators für energiearme Inertialsensoren. Das AlN wird über einen reaktiven Sputterprozess auf einer Wachstumsschicht abgeschieden. Durch Parametervariation des reaktiven Sputterprozesses und der Wachstumsschicht werden die piezoelektrischen Eigenschaften des AlNs optimiert. Die Entwicklung einer Gesamttechnologie führt zu einer Integration des Dünnschicht-AlNs in Silizium-Mikromechaniken. Die Röntgenbeugung (XRD) ermöglicht die Kristallstruktur des AlNs zu qualifizieren. Darüber hinaus werden weitere Analysemethoden vorgestellt, die eine hoch genaue und reproduzierbare messtechnische Bestimmung der piezoelektrischen Koeffizienten aus mikromechanischen Messstrukturen ermöglichen. Die Determination der piezoelektrischen Koeffizienten des Dünnschicht-AlNs aus den Messstrukturen erfolgt mittels analytischen und FE Modellen sowie der Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). Der Fokus der Arbeit liegt hierbei auf der Identifikation der longitudinalen und transversalen piezoelektrischen Ladungskoeffizienten des AlNs. Als Technologiedemonstrator wird ein einachsiger Inertialsensor mit integriertem piezoelektrischen Dünnschicht-AlN vorgestellt. Das MEMS generiert aufgrund des piezoelektrischen Wandlers intrinsisch elektrische Ladungen bei Einwirkung einer mechanischen Energie. Dadurch ist keine elektrische Energiezufuhr für die Messung eines inertialen Ereignisses notwendig. Der vorgestellte Demonstrator wird hinsichtlich seiner Ladungs- und Spannungssensitivität optimiert. Zur theoretischen Beschreibung der Funktionsweise werden analytische, sowie FE und SPICE Modelle genutzt. Eine Charakterisierung des MEMS Bauelements erfolgt hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. / The thesis includes the design, the technology and the parameter identification of silicon-based microelectromechanical systems (MEMS) with piezoelectric thin film of aluminum nitride (AlN). A low-energy inertial sensor as technology demonstrator based on AlN as an electromechanical transducer a MEMS manufacturing process is shown. The AlN is deposited via a reactive sputtering on a growth layer. By varying parameters of the reactive sputtering and the growth layer of AlN, the piezoelectric properties can be optimized. The development of an overall technology results to an integration of the thin film AlNs in silicon micromechanics. X-ray diffraction (XRD) allows to qualify the crystal structure of AlN. Further methods are developed that enable a highly accurate and repeatable metrological determination of piezoelectric coefficients measurement structures. The determination of piezoelectric coefficients of the thin film AlN from the measurement structures is resulting from analytical methods and FE models and the laser Doppler vibrometry (LDV). The identification of the longitudinal and transverse piezoelectric charge coefficient of AlN is one main focus of this work. A uniaxial inertial sensor with an integrated piezoelectric thin film of AlN is presented as technology demonstrator. The piezoelectric transducer of the MEMS is generating electric charges intrinsically as reaction of mechanical stress. Thus, no electric power supply for the measurement of an inertial event is necessary. The presented demonstrator has been optimized with respect to its charge and voltage sensitivity. For a theoretical description analytical and FE and SPICE models are used. A characterization of the MEMS device is carried out with regard to the mechanical and electrical properties.