Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός προηγμένων υλικών για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις. Στα πλαίσια αυτής, επικεντρωθήκαμε στην ανάπτυξη και μελέτη μαγνητικών και ημιαγωγικών λεπτών υμενίων που βασίζονται σε οξείδια παραδοσιακών μετάλλων και ημιαγωγών. Ο μαγνητικός και οπτικός χαρακτηρισμός των υλικών αυτών υπό τη μορφή της νανοδομής του λεπτού υμενίου, αποκαλύπτουν νέες ιδιότητες με εξαιρετικά μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, έγινε καταρχήν ανάπτυξη πολυστρωματικών μαγνητικών υμενίων Ni/NiO, μονοστρωματικών ημιαγωγικών υμενίων Cu2O, CuO και NiO, όπως επίσης και μονοστρωματικών άμορφων μονωτικών υμενίων SiOx με ή και χωρίς ενσωματωμένες κβαντικές τελείες Si. Για κάθε σειρά υμενίων από τις κατηγορίες αυτές, έγινε μελέτη των μαγνητικών ή/και των οπτικών τους ιδιοτήτων. Τα υμένια Ni/NiO αναπτύχθηκαν σε διαφορετικά υποστρώματα με τη χρήση μιας μόνο κεφαλής magnetron sputtering και της μεθόδου της φυσικής οξείδωσης. Η διαστρωμάτωση του υλικού και η επαναληψιμότητα της μεθόδου αποδείχθηκαν εξαιρετικής ποιότητας. Για υμένια Ni/NiO με διαφορετικό πάχος στρώματος Ni έγινε εκτεταμένη μελέτη της εξάρτησης της μαγνήτισης και της ανισοτροπίας από τη θερμοκρασία. Βρέθηκε ότι τα υμένια με λεπτά στρώματα Ni εμφανίζουν τάση για κάθετη μαγνητική ανισοτροπία, η οποία προέρχεται από την υπολογίσιμη θετική ανισοτροπία επιφανείας που επιδεικνύουν αυτά. Τα ημιαγωγικά υμένια οξειδίων του Cu και του Νi αναπτύχθηκαν μετά από οξείδωση υμενίων των αντίστοιχων μεταβατικών μετάλλων. Τα άμορφα μονωτικά υμένια SiOx αναπτύχθηκαν με τη τεχνική της “reactive” ιοντοβολής. Στη συνέχεια, μέρος αυτών οξειδώθηκε πλήρως μετά από θέρμανση σε θερμοκρασία 950 οC και σε περιβάλλον αέρα, ενώ κάποια άλλα υποβλήθηκαν σε θερμική αποσύνθεση μετά από θέρμανση σε συνθήκες κενού στους 1000 οC. Με τη διαδικασία της θερμικής αποσύνθεσης, όπως αποδεικνύουν και οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, σχηματίζονται νανοκρύσταλλοι Si ενσωματωμένοι σε άμορφη μήτρα οξειδίου του Si. Για τα υμένια των οξειδίων του Cu και του Ni μελετήθηκαν με τη χρήση της φασματοσκοπίας UV-VIS τα φαινόμενα κβαντικού περιορισμού που παρουσιάζουν αυτά. Βρέθηκε ότι σε κάθε περίπτωση εμφανίζεται μετατόπιση της ακμής απορρόφησης προς μεγαλύτερες ενέργειες, καθώς το πάχος του υμενίου μειώνεται και γίνεται συγκρίσιμο με την εξιτονική ακτίνα Bohr του αντίστοιχου υλικού. Τα υμένια SiOx βρέθηκε ότι μετά από τη διαδικασία της θερμικής τους αποσύνθεσης παρουσιάζουν φωτοφωταύγεια, η οποία προέρχεται από τις εξιτονικές επανασυνδέσεις στις κβαντικές τελείες Si που εμπεριέχονται σ’ αυτά. Από την εργασία στα πλαίσια αυτής της Διατριβής, διαπιστώνουμε ότι μπορούμε να μεταβάλλουμε τις ιδιότητες παραδοσιακών υλικών, όπως είναι για παράδειγμα τα μέταλλα, οι κλασσικοί ημιαγωγοί και τα οξείδια αυτών, όταν αυτά αναπτύσσονται υπό τη μορφή νανοδομών. Οι νανοδομές αυτές μπορεί να εμφανίζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις με καινούργιες αλλά κι εντελώς ελεγχόμενες ιδιότητες. / The objective of this Thesis is the growth and the characterization of high tech materials which can be possible candidates for future applications in nanodevices. In the framework of the Thesis, we were mainly focused on the production and the study of magnetic and semiconducting thin films, which are based on oxides of metals and of conventional semiconductors. The magnetic and optical characterizations reveal that these materials, in the form of thin films exhibit new properties with exceptionally large technological interest. In more detail, magnetic Ni/NiO multilayers, semiconducting Cu2O, CuO and NiO thin films, as well as insulating amorphous SiOx thin films with or without embedded Si quantum dots, were produced. The magnetic and/or optical properties of each of the aforementioned thin film categories were studied and their impact on possible future applications was examined. The Ni/NiO multilayers were produced on various substrates with the aid of a single magnetron sputtering head and the natural oxidation process. The produced multilayers were of excellent layering and interface quality. An extended study of both the magnetization and the anisotropy as a function of the temperature and the varying Ni layer thickness was performed. It is found from the magnetic investigations, that the multilayers with thin Ni layers exhibit a trend for perpendicular magnetic anisotropy, which is attributed to the considerable positive surface anisotropy of the Ni/NiO interfaces. The semiconducting copper and nickel oxide thin films were produced via the oxidation of the corresponding metallic films. The amorphous SiOx films were fabricated via the reactive sputtering method. Part of the as deposited films was fully oxidized at 950 oC under the ambient air environment, whereas another part was thermally decomposed under vacuum conditions at 1000 oC. Electron microscopy investigations reveal that upon the thermal decomposition process of the films, embedded Si nanocrystals are formed in the amorphous matrix of the Si oxide. The Cu and Ni oxide films exhibited quantum confinement effects, which were studied via the UV-VIS spectroscopy. The recorded spectra reveal that the absorption edge shifts towards higher energies, as the layer thickness is reduced and becomes comparable with the excitonic Bohr radius of the material. The Si oxide thin films, after the thermal decomposition treatment are found to exhibit photoluminescence at the region between 1.3 and 1.5 eV which is originated to the excitonic recombination in the embedded Si quantum dots. Finally, it is deduced that conventional materials like metals, semiconductors and the oxides of them, can exhibit new properties when they are prepared in the form of nanostructure. These nanostructures can attract a lot of interest for possible applications in nanodevices with new but completely controllable properties.

L'oxyde de nickel est l'un des matériaux électrochromes les plus utilisés dans le domainedes fenêtres intelligentes qui contrôlent la lumière et la chaleur provenant de l'extérieur versl'intérieur des bâtiments. Il est important de mentionner que l’oxyde de nickelstoechiométrique est un isolant à température ambiante. Les propriétés microstructurales,chimiques, optiques et électrochromes des couches minces dépendent fortement du procédéde préparation et traitement final. En outre, l’un des principaux défis consiste à fabriquer lescouches minces sur des substrats souples afin de fabriquer des fenêtres électrochromes degrande taille ce qui demande un traitement à T ambiante. A cet égard peu d’étudesbibliographiques ont évalué l’effet du traitement par les rayonnements UV sur les propriétésdes couches électrochromes. Dans ce travail, des couches minces d'oxyde de nickel (NiO) ontété préparées par la méthode Sol-Gel associée aux techniques de dépôts par centrifugation(spin-coating) et par trempage-retrait (dip-coating). L’ajustement des paramètresexpérimentaux relatifs à ce procédé (la concentration du précurseur, la nature du solvant et dustabilisant, le nombre de couches déposées et le type des traitement final (calcinationà 300 °C ou traitements UV) a permis d’optimiser les conditions de préparation des couchesminces et par la suite de contrôler les caractéristiques chimiques, microstructurales et optiquesdes couches développées. Cette étude a montré qu'une concentration de 0,3 M d'acétate denickel, le méthanol comme solvant et le triton X-100 en tant que stabilisant conduisent à unecouche mince NiO avec les meilleures performances optiques. Les caractérisations par lestechniques (DRX, ATG, FT-IR, XPS et GDOES) ont particulièrement mis en évidence le rôledes conditions de traitement final sur la composition et la morphologie des couches d’oxydede nickel élaborées. La DRX a montré qu’elles sont faiblement cristallisées et que la structuredevient plus amorphe avec le traitement UV. La spectrométrie UV-visible et les CV ont révéléque les couches traitées par UV en utilisant une lampe de 30 W pendant 5 h (UV-30W-5h)possèdent le contraste optique le plus élevé et la meilleure stabilité électrochimique. L'analysemorphologique a montré que les couches minces déposées par la technique de spin coatingsouffrent de la formation de fissures et d’une hétérogénéisation de la surface. Pour résoudre ceproblème, le procédé de spin-coating a été remplacé par la technique dip-coating tout enconservant les paramètres optimisés précédemment. Cette technique a permis de produire descouches minces plus homogènes et moins fissurées. D'autre part, pour continuer à améliorerles propriétés électrochromes, ces couches ont été dopées par le lithium. Les résultats obtenusont montré l’importance de l’addition de Li sur l’amélioration des propriétés électrochromesde Li : NiO cyclé dans KOH comme électrolyte. En effet, une variation de la transmittanceΔT de 70% (à 450 nm) a été obtenue dans les couches minces 8 % Li: NiO. Le résultat quiressort des caractérisations FT-IR et ATG, porte sur le fait que les couches calcinéescontiennent moins de composés organiques, à l’inverse de celles traitées par UV riches enmatière organique. L'analyse XPS a montré que la teneur en Ni2+ est plus élevée dans lescouches dopées. L’analyse GDOES a montré une distribution homogène de Li dans toutel’épaisseur de la couche. Toutefois, les couches minces de 8% de Li: NiO traitées par UV-30W-5h souffrent d’une dégradation de leurs performances électrochromes dans le KOHaprès quelques cycles, pour cette raison, elles ont été cyclées dans d’autres électrolytesliquides ioniques, tels que le LiTFSI-EMITFSI, le NaTFSI-EMITFSI et le KTFSI-EMITFSI.Les meilleures propriétés électrochromiques ont été obtenues avec l'électrolyte KTFSIEMITFSI.Ce résultat important représente une bonne perspective pour l'avenir. / Nickel oxide is one of the most widely used electrochromic materials in the field of smartwindows that control light and heat from the outside to the inside of buildings. It is importantto mention that stoichiometric nickel oxide is an insulator at room temperature. Themicrostructural, chemical, optical and electrochromic properties of the films are highlydependent on the process of preparation and final treatment. In addition, one of the mainchallenges is the elaboration of thin films on flexible substrates suitable for electrochromicapplications which requires treatment at ambient T. In this respect, in literature, few studieshave reported the effect of UV treatment on the properties of electrochromic layers. In thiswork, thin films of nickel oxide (NiO) were prepared by the Sol-Gel method associated withspin-coating and dip-coating techniques. The adjustment of the experimental parametersrelating to this process (the concentration of the precursor, the nature of the solvent and thestabilizer, the number of deposited layers and the type of final treatment (calcination at300 °C or UV treatments) made it possible to optimize conditions for the preparation of thinlayers and subsequently to control their chemical, microstructural and optical characteristics.This study showed that a concentration of 0.3 M nickel acetate, methanol as solvent and triton100-X as a stabilizer lead to NiO thin film with the highest optical properties. The techniquesof characterizations (DRX, ATG, FT-IR, XPS and GDEOS) have particularly highlighted therole of the final treatment conditions on the composition and the morphology of the preparednickel oxide thin films. The XRD results showed that they are weakly crystallized and thestructure becomes even more amorphous for UV treated samples. UV-visible spectrometryand cyclic voltammetry revealed that UV-treated thin films using a lamp of 30 W for 5 h(UV-30W-5h) have the highest optical contrast and the highest electrochemical stability.Morphological analysis (SEM) indicated that the thin films deposited by the spin-coatingtechnique suffer from crack formation and surface heterogenization. To solve this issue, thespin-coating process has been replaced by the dip-coating technique while retaining thepreviously optimized parameters. This technique has made it possible to produce thin filmsthat are more homogeneous and less cracked. On the other hand, to continue to improve theelectrochromic properties, these thin films were doped with lithium. The results showed theimportance of the addition of Li on the improvement of the electrochromic properties ofLi : NiO cycled in KOH as electrolyte. Indeed, a variation of the ΔT transmittance of 70 %was reached for the thin films 8 % Li : NiO. The result of the FT-IR and ATGcharacterizations showed that the calcined thin films contain lesser amount of organiccompounds compared to those treated by UV which still contains large amount of organicmatter. XPS analysis has shown that the Ni2+ content is higher in the doped layers. GDOESanalysis showed a homogeneous distribution of Li along the thickness of the thin film.However, 8% Li: NiO thin films treated with UV-30W-5h suffer from a degradation of theirelectrochromic performances in KOH after a few cycles. For this reason, their cyclingproperties have been investigated in a large range of electrolytes, based on ionic liquidincluding LiTFSI-EMITFSI, NaTFSI-EMITFSI and KTFSI-EMITFSI. The highestelectrochromic properties were obtained with KTFSI-EMITFSI as an electrolyte. Thisimportant result presents a good prospect for the future.

Ni80Fe20 and Ni80Fe20/NiO films and nano-stripes were characterized magnetically through AC and DC susceptibility measurements, and hysteresis loops as a function of field and temperature. While the near-pattern films were characterized in the in-plane configuration only, the nano-stripes were characterized in parallel, transverse and the perpendicular field configurations. The effects of the constrained geometry on the coercivity, exchange bias field, and the superparamagnetic blocking temperature were studied. It was determined that the coercivity, exchange bias field and the superparamagnetic blocking temperature can be controlled, not only by using a patterned media instead of a plane film, but also by the orientation of that pattern.

Ni80Fe20 and Ni80Fe20/NiO films and nano-stripes were characterized magnetically through AC and DC susceptibility measurements, and hysteresis loops as a function of field and temperature. While the near-pattern films were characterized in the in-plane configuration only, the nano-stripes were characterized in parallel, transverse and the perpendicular field configurations. The effects of the constrained geometry on the coercivity, exchange bias field, and the superparamagnetic blocking temperature were studied. It was determined that the coercivity, exchange bias field and the superparamagnetic blocking temperature can be controlled, not only by using a patterned media instead of a plane film, but also by the orientation of that pattern.

No description available.

Ce travail, effectué dans le cadre d’une collaboration entre l’IPN d’Orsay et EDF, contribue aux études destinées à améliorer la compréhension du comportement des radioéléments en production (centrale en fonctionnement) et à l’aval du cycle électronucléaire (stockage géologique profond des déchets). Le comportement et l’évolution des radioéléments sont fortement dépendants des interactions aux interfaces eau / surface minérale, phénomènes complexes et souvent difficiles à caractériser in situ (en particulier, dans le cas du circuit primaire des centrales REP). La dynamique moléculaire basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité apporte des éléments de compréhension sur l’évolution des structures d’équilibre en prenant en compte explicitement la solvatation et les effets de la température sur les mécanismes d’interaction. Dans un premier temps, le comportement de l’ion uranyle en solution et à l’interface d’un système modèle eau / TiO2 à température ambiante a été simulé et validé par la confrontation avec des résultats expérimentaux et des calculs de DFT statiques. Dans un deuxième temps, cette approche a été employée sur ce même système, à des fins prédictives, pour étudier l’effet d’une élévation de la température. La rétention de l’ion augmente avec la température en accord avec les données expérimentales obtenues sur d’autres systèmes, et conduit également à une modification du complexe de surface. Dans un troisième temps, une étude similaire a été effectuée à l’interface eau / NiO, produit de corrosion présent dans le circuit primaire des centrales nucléaires, pour lequel peu de données expérimentales sont disponible actuellement. / This study, performed within the framework of an EDF and IPN of Orsay partnership, contributes to the studies intended to improve the understanding of the radioelement behaviour in service (nuclear power plant) and at the end of the uranium fuel cycle (deep geologic repository). The behaviour and the evolution of radioelement depend mainly on the interactions at the water / mineral interfaces, which are complex and often difficult to characterize in situ (in particular, in the PWR primary circuit). Molecular dynamic simulations based on the Density Functional Theory provide some insight to understand the evolution of the structures against the solvation and the effects of the temperature on the interaction mechanisms. At first, the behaviour of the uranyl ion at room temperature in solution and at the water / TiO2 interface, as a system model, has been studied and validated by the systematic comparisons with the experimental and static DFT calculations data. Secondly, this approach was used on the same system, in predictive purposes, to study the effect of a temperature rise. The retention of the ion increases with the temperature in agreement with the experimental data obtained on other systems, and led also to a modification of the surface complex. Finally, a similar study has been performed at the water / NiO interface, which corresponds to a corrosion product present in the primary circuit of nuclear power plants, but for which few experimental data are currently available.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

Rechargeable lithium-ion batteries are now attracting great attention for applications in portable electronic devices and electrical vehicles, because of their high energy density, long cycle and great convenience. For new generations of rechargeable lithium-ion batteries, they applied not only to consumer electronics but also especially to clean energy storage and hybrid electric vehicles. Therefore, further breakthroughs in electrode materials that open up a new important avenue are essential. Graphite, the most commonly used commercial anode material, has a limited reversible lithium intercalation capacity (372 mAh g-1). In this regard, tremendous efforts have been made towards even further improving high capacity, excellent rate capability, and cycling stability by developing advanced anode materials. This work focuses on the lithium storage properties of nickel oxide (NiO) and germanium (Ge) nanomembranes anodes mainly fabricated by electron-beam evaporation. Specifically, NiO is selected for conversion-type material because of high theoretical specific capacity of 718 mAh g-1 and easily obtained material. The resultant curved NiO nanomembranes anodes exhibit ultrafast power rate of 50 C (1 C = 718 mA g-1) and good capacity retention (721 mAh g-1, 1400 cycles). Remarkably, multifunctional Ni/NiO hybrid nanomembranes were further fabricated and investigated. Benefiting from the advantages of the intrinsic architecture and the electrochemical catalysis of metallic nickel, the hybrid Ni/NiO anodes could be tested at an ultrahigh rate of ~115 C. With Ge as active alloying-type material (1624 mAh g-1), the effect of the incorporated oxygen to the lithium storage properties of amorphous Ge nanomembranes is well studied. The oxygen-enabled Ge (GeOx) nanomembranes exhibit improved electrochemical properties of highly reversible capacity (1200 mAh g-1), and robust cycling performance.

Die vorliegende Arbeit ist eine umfassende Studie über das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) und die gemessenen Seebeck Koeffizienten und Lochtransport Eigenschaften von p‑Typ Oxiden, eine Materialklasse welche die optische Transparenz und die einstellbare Leitfähigkeit verbindet. Insbesondere, Nickeloxid (NiO) und Zinnmonoxid (SnO) wurden mittels plasmaunterstützter MBE unter Einsatz von einer Metall‑Effusionszelle und einem Sauerstoffplasma gewachsen. Für das NiO Wachstum wurden vor allem die Wachstumsgrenzen bei hohen Temperaturen festgelegt, welche von der Substratstabilität im Falle von Magnesiumoxid und Galliumnitrid abhängen. Es wird die Möglichkeit der Qualitätsbewertung mittels Ramanspektroskopie für Natriumchlorid-Strukturen gezeigt. Untersuchung der NiO Dotierung durch Oberflächen-Akzeptoren und der damit verbundenen Oberflächen‑Loch‑Anreicherungsschicht offenbart eine neue Dotierungsmöglichkeit für p‑leitende Oxide im Allgemeinen. Die metastabile Phase des SnO wird mittels PAMBE unter Verwendung bekannter Wachstumskinetik von Zinndioxid und verschiedener in‑situ Methoden stabilisiert, die anwendungsrelevante thermische Stabilität wird untersucht. Anschließende ex‑situ Charakterisierungen durch XRD und Ramanspektroskopie identifizieren das kleine Wachstumsfenster für das epitaktische Wachstum von SnO. Elektrische Messungen bestätigen die p‑Typ Ladungsträger mit vielversprechenden Löcherbeweglichkeiten welche auch für Hall Messungen zugänglich sind. Temperaturabhängige Hall Messungen zeigen einen bandähnlichen Transport welcher auf eine hohe Qualität der gewachsenen Schichten hindeutet. Die Funktionalität der gewachsenen Schichten wird durch verschiedene Anwendungen nachgewiesen. Zum Beispiel werden pn‑Heteroübergänge wurden durch das heteroepitaktische Wachstum der SnO Schichten auf einem Galliumoxid-Substrat erlangt. Die ersten bisher berichteten SnO-basierten pn‑Übergänge mit einem Idealitätsfaktor unter zwei wurden erreicht. / This thesis presents a comprehensive study on the growth by molecular beam epitaxy (MBE) and the measured Seebeck coefficients and hole transport properties of p‑type oxides, a material class which combines transparency and tunable conductivity. Specifically, Nickel oxide (NiO) and tin monoxide (SnO) were grown by plasma‑assisted MBE using a metal effusion cell and an oxygen plasma. For NiO growth, the focus lies on high temperature growth limits which were determined by the substrate stability of magnesium oxide and gallium nitride. Quality evaluation by Raman spectroscopy for rock‑salt crystal structures is demonstrated. Investigations of NiO doping by surface acceptors and the related surface hole accumulation layer reveal a new doping possibility for p‑type oxides in general. The meta‑stable SnO is stabilized by PAMBE utilizing known growth kinetics of tin dioxide and various in‑situ methods, its application-relevant thermal stability is investigated. Following ex‑situ characterizations by XRD and Raman spectroscopy identify secondary phases and a small growth window for the epitaxial growth of SnO. Electrical measurements confirm the p‑type carriers with promising hole mobilities accessible to Hall measurements. Temperature dependent Hall measurements show band‑like transport indicating a high quality of the grown layers. The functionality of the grown layers is proven by various applications. For example, pn‑heterojunctions were achieved by heteroepitaxial growth of the SnO layers on gallium oxide substrates. The first reported SnO based pn‑junction with an ideality factor below two is accomplished.

Photoelectrodes and photovoltaic devices have been prepared via multiple thin film deposition methods. Aerosol assisted chemical vapour deposition (AACVD), electrodeposition (ED), chemical bath deposition (CBD) and doctor blade technique (DB) have been used to deposit binary and ternary metal oxide films on FTO glass substrates. The prepared thin films were characterised by a combination of SEM (Scanning Electron Microscopy), powder X-ray diffraction, mechanical strength tests and photochemical measurements. Nickel oxide (NiO) thin films prepared by AACVD were determined to have good mechanical strength . with a photocurrent of 7.6 μA cm-2 at 0 V and an onset potential of about 0.10 V. This contrasted with the dark current density of 0.3 μA cm-2 at 0 V. These NiO samples have very high porosity with crystalline columns evidenced by SEM. In comparison with the AACVD methodology, NiO films prepared using a combination of ED and DB show good mechanical strength but a higher photocurrent of 24 μA cm-2 at 0 V and an onset potential of about 0.10 V with a significantly greater dark current density of 7 μA cm-2 at 0 V. The characteristic features shown in the SEM are smaller pores compared to the AACVD method. Copper (II) oxide (CuO) and copper (I) oxide (Cu2O) films were fabricated by AACVD by varying the annealing temperature between 100-325°C in air using a fixed annealing time of 30 min. It was shown by photocurrent density (J-V) measurements that CuO produced at 325 °C was most stable and provided the highest photocurrent of 173 μA cm-2 at 0 V with an onset potential of about 0.23 V. The alignment of zinc oxide (ZnO) nano-rods and nano-tubes fabricated by CBD have been shown to be strongly affected by the seed layer on the FTO substrate. SEM images showed that AACVD provided the best seed layer for aligning the growth of the nano-rods perpendicular to the surface. Nano-rods were successfully altered into nano-tubes using a potassium chloride bath etching method. NiO prepared by both AACVD and the combined ED/DB method were sensitized to absorb more of the solar spectrum using AACVD to deposit CuO over the NiO. A large increase in the photocurrent was observed for the p-type photoelectrode. These p-type photoelectrode showed a photocurrent density of approximately 100 μA cm-2 at 0 V and an onset potential of 0.3 V. This photocathode was then used as a base to produce a solid state p-type solar cell. For the construction of the solid state solar cells several n-type semiconductors were used, these were ZnO, WO3 and BiVO4. WO3 and BiVO4 were successfully produced with BiVO4 proving to be the optimum choice. This cell was then studied more in depth and optimised by controlling the thickness of each layer and annealing temperatures. The best solid state solar cell produced had a Jsc of 0.541 μA cm-2 (541 nA) and a Voc of 0.14 V, TX146 made up of NiO 20 min, CuFe2O4 50 min, CuO 10 min, BiVO4 27 min, using AACVD and then annealed for 30 min at 600°C.