The characteristic polarization response of a ferroelectric material to an applied electric field enables a binary state device in the form of a thin film ferroelectric capacitor that can be used to store digital information. In a high density memory the capacitor is placed on the top of a poly-silicon plug which is connected to the drain of a transistor. Such a configuration poses constraints on the processing conditions of the ferroelectric capacitor in addition to the already existing reliability issues of a ferroelectric capacitor. The current research is an attempt to integrate the ferroelectric capacitor directly into a high density memory structure. Pb_1.1Zr_0.53Ti_0.47O₃ (PZT) and SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) are two most promising materials for ferroelectric memory applications. PZT has excellent ferroelectric properties with wide operating temperature range. However, PZT exhibits a considerable loss of switchable polarization with cumulative switching cycles. This phenomenon is known as fatigue and is one of the critical problems affecting the life time of ferroelectric memories. In this research, Ir based electrodes are shown to improve fatigue characteristics of PZT based capacitors not only by enhancing a homogenous growth of perovskite phase of PZT but also by lowering the entrapment of oxygen vacancies at the interface. These Ir electrodes also acted as diffusion barriers for silicon, oxygen and lead. Additionally, Ir electrodes were found to be chemically stable at the processing temperatures of PZT capacitors. These features of Ir based electrodes could help in realization of a practical PZT based high density non volatile random access memories. SBT is an another promising ferroelectric material for ferroelectric memory applications. While SBT has a fatigue free nature, it has a very high processing temperature (>800 °C). Such a high processing temperature limits the choice of electrodes that could be used to integrate the ferroelectric capacitor into the high density memory structure. In this research, an attempt is made to lower the processing temperature and suitable electrodes are chosen accordingly, to enable the integration of SBT based capacitors into high density memories. Lowering the processing temperature was obtained by growing a-b oriented SBT crystallites rather than c-axis oriented crystallites. Additionally, reliability (degradation) and yield of SBT thin film capacitors was found to be correlated to the amount of segregated bismuth oxide in the films. Elimination of secondary phase bismuth oxide was found to result in dramatic improvement in the reproducibility of SBT thin films with a processing temperature close to 750 °C. PtRh based electrodes were found to be quite suitable for integrating SBT capacitors into high density memory structures. These electrodes could withstand a processing temperature of 750 °C while preventing the interdiffusion of silicon, oxygen and bismuth. A solid solution of SBT and Bi₃TiNbO₉ (BTN) is made which reduced the processing temperature of the capacitor material from 750 °C to 650 °C while retaining the excellent fatigue and retention characteristics of SBT. / Ph. D.

A novel method to detect and quantify the growth of the solid electrolyte interphase (SEI) on battery electrode materials using in-situ spectroscopic ellipsometry (SE) is presented. The effects of additives in 1 M LiPF6/EC:DEC (1:2) electrolyte on the SEI were studied. Thin film electrodes of a-Si, Ni, and TiN were prepared by magnetron sputtering for use with a custom-designed tubular in-situ electrochemical cell. Li/a-Si and Li/Ni in-situ cells in 0.1 M LiPF6/EC:DEC (1:2) were studied by galvanostatic chronopotentiometry. Large changes in the ellipsometric parameters, ? and ?, were observed for both materials. These changes were closely related to the state of charge of the in-situ cell. The formation of an a-LixSi alloy, the formation of an SEI layer, or both contributed to these large changes for a Li/a-Si in-situ cell. For a Li/Ni in-situ cell, a thin transparent surface layer was observed. The surface layer, presumably made from SEI species and species from the displacement reaction between NiO and Li, increased to roughly 17 nm during the first discharge. During the first charge, the surface layer thickness decreased to roughly 5.5 nm and could not be removed, even at high potentials. The effect of vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC) additives on SEI formation were studied using a Li/TiN in-situ cell in 1 M LiPF6/EC:DEC (1:2) by potentiostatic chronoamperometry. SEI thicknesses for cells containing no additives, VC, and FEC were roughly 18 nm, 25 nm and 30 nm, respectively, after a 10 h hold at 0.1 V. SE is a useful technique for measuring thin film growth in-situ on electrode materials for Li-ion batteries.

Lead Halide Perovskite is emerging quickly as a promising material for the future solar cellsthanks to their inherent good optoelectrical properties along with their cheap and facile fabri-cation. However, their main drawback before commercialization is their weak stability. In thiswork, a novel carbon-coated perovskite quantum dot has been synthesized, and is to the extentof our knowledge, for the first time. The coated perovskite quantum dots show a remarkable in-creased stability under different conditions while in solution. Their photoluminescence intensityalso increased as time went on, exceeding that of the uncoated perovskite quantum dots aftera few weeks. These coated perovskite quantum dots, while not fully characterized and thusnot fully understood show a promising way on how to combat the low stability in perovskites.Further, Copper/Copper(I)Iodide core/shell nanowires were synthesized as a transparent inte-grated hole transport layer/electrode for solar cells. While limited due to the low controlledfabrication process used, they providing a solid base for further research on the material to beused in solar cells. / Bly-halid perovskite har snabbt utvecklats och visar sig vara ett lovande material till framti-dens solceller tack vare dess optoelektriska egenskaper samt dess billiga och lätta tillverkn-ingsprocess. Dock, så brister materialet på grund av dess dåliga stabilitet innan de kan kommer-sialieras fullt ut. I detta projekt har kol-överdragen perovskite kvantprickar framställts, och ärtill den omfattning vi besitter, för första gången. De coatade perovskite kvantprickarna visade enförvånadsvärd stabilitet under olika tillstånd, och även en ökning i dess photoluminescens efternågra veckor. Dessa kvantprickar, dock ej ännu fullt förstådda och mer karaktärisering krävs, ärett lovande alternativ till att lösa perovskitens låga stabilitet. Vidare har koppar/koppar(I)jodidcore/shell nanotrådar tillverkats som en transparent integrerar håltransport material/elektrodför solceller med goda egenskaper. Trotts sin begränsning i den framställningsprocess som an-vändes ger dem en lovande bas för framtida forskning på materialet.

Moderne optoelektronische Dünnfilmapplikationen erfordern den Einsatz effizienter großflächiger Elektrodensysteme, die einerseits über sehr gute Leitfähigkeitseigenschaften verfügen und andererseits eine hohe Transparenz in einem breiten Wellenlängenspektrum aufweisen. Momentan wird für derartige Anwendungen zum Großteil der Werkstoff Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt, dessen Hauptbestandteil Indium nur in geringen Mengen auf der Erde vorkommt. Für die Erhaltung der Marktfähigkeit und zur Weiterentwicklung der Dünnschichtelektronik ist es nötig, dieses Ressourcenproblem zu lösen. Eine Möglichkeit zur Substitution von ITO ist die Verwendung dünner metallischer Filme als transparente Elektroden. Die vorliegende Dissertationsschrift untersucht in diesem Zusammenhang die Anwendung der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP). Um hinreichend große optische Transparenz bei entsprechender elektrischer Leitfähigkeit zu erhalten, werden Dünnschichtensysteme aus Kupfer, Aluminium, Chrom und Silber mit verschiedenen periodischen Lochmustern zwischen 1,5-2,7 µm perforiert. Im Anschluss werden die bearbeiteten Probenkörper hinsichtlich ihrer optischen, elektrischen und topografischen Eigenschaften vermessen. Die umfangreichen gewonnenen Daten werden in einer Auswertung zusammengefasst und mit Resultaten aus numerischen Modellrechnungen verglichen. Neben den Ergebnissen zur Effizienzsteigerung der Dünnfilme untersucht die vorliegende Arbeit die laserinduzierte Ablationsdynamik metallischer Filme auf Glassubstrat zwischen 5-40 nm Schichtdicke.

Moderne optoelektronische Dünnfilmapplikationen erfordern den Einsatz effizienter großflächiger Elektrodensysteme, die einerseits über sehr gute Leitfähigkeitseigenschaften verfügen und andererseits eine hohe Transparenz in einem breiten Wellenlängenspektrum aufweisen. Momentan wird für derartige Anwendungen zum Großteil der Werkstoff Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt, dessen Hauptbestandteil Indium nur in geringen Mengen auf der Erde vorkommt. Für die Erhaltung der Marktfähigkeit und zur Weiterentwicklung der Dünnschichtelektronik ist es nötig, dieses Ressourcenproblem zu lösen. Eine Möglichkeit zur Substitution von ITO ist die Verwendung dünner metallischer Filme als transparente Elektroden. Die vorliegende Dissertationsschrift untersucht in diesem Zusammenhang die Anwendung der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP). Um hinreichend große optische Transparenz bei entsprechender elektrischer Leitfähigkeit zu erhalten, werden Dünnschichtensysteme aus Kupfer, Aluminium, Chrom und Silber mit verschiedenen periodischen Lochmustern zwischen 1,5-2,7 µm perforiert. Im Anschluss werden die bearbeiteten Probenkörper hinsichtlich ihrer optischen, elektrischen und topografischen Eigenschaften vermessen. Die umfangreichen gewonnenen Daten werden in einer Auswertung zusammengefasst und mit Resultaten aus numerischen Modellrechnungen verglichen. Neben den Ergebnissen zur Effizienzsteigerung der Dünnfilme untersucht die vorliegende Arbeit die laserinduzierte Ablationsdynamik metallischer Filme auf Glassubstrat zwischen 5-40 nm Schichtdicke.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 4 2.1 Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Elektroden 4 2.1.1 Verdampfungsverfahren 4 2.1.2 Sputterverfahren 5 2.1.3 Metallorganische Gasphasenepitaxie – MOCVD 6 2.2 Schichtwachstum von Metallfilmen in PVD-Verfahren 7 2.3 Elektrische Eigenschaften von Dünnschicht-Elektroden 9 2.3.1 Mechanismen der elektrischen Leitung in Festkörpern 9 2.3.2 Elektrische Charakteristika von Indiumzinnoxid-Schichten 10 2.3.3 Elektrische Charakteristika dünner Metallschichten 10 2.4 Optische Eigenschaften dünner Schichten 13 2.4.1 Wechselwirkung von Licht mit Materie 13 2.4.2 Lichtmanipulation durch periodische Strukturen 14 2.4.3 Optische Eigenschaften transparenter ITO-Schichten 17 2.4.4 Optische Eigenschaften metallischer Dünnschichten 18 2.5 Grundlagen lasergestützter Bearbeitungsmethoden 19 2.5.1 Materialablation durch gepulste Laserstrahlung 19 2.5.2 Theoretische Grundlagen zur Bestimmung der Ablationsschwelle 21 2.6 Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen 22 2.6.1 Elektronenstrahl-Lithographie 23 2.6.2 Sequentielles Laserstrukturieren 24 2.6.3 Strukturieren mit Laserinterferenz 25 2.7 Aktueller Forschungsstand zur DLIP dünner Metallschichten 29 2.7.1 DLIP metallischer Filme mit Nanosekunden-Pulsen 29 2.7.2 DLIP metallischer Filme mit Pikosekunden-Pulsen 35 3 Experimentelle Arbeit 37 3.1 Entwicklung numerischer Rechenmodelle 37 3.1.1 Modellierung des Interferenzvolumens 37 3.2 Thermische Simulationen 38 3.3 Experimente und Versuchsanordnungen 42 3.3.1 Verwendete Lasersysteme 42 3.3.2 Vorgehensweise zur Bestimmung der Ablationsschwellwerte 42 3.3.3 Laser-Annealing metallischer Dünnschichten 43 3.3.4 Direkte Laserinterferenzstrukturierung 44 3.3.5 Übersicht der verwendeten Dünnfilmsubstrate 47 3.3.6 Mess- und Analysemethoden 49 4 Auswertung und Diskussion 55 4.1 Ermittlung der Ablationsschwellwerte 55 4.1.1 Ablationsschwellwerte bei Nanosekunden-Pulsen 55 4.1.2 Ablationsschwellwerte bei Pikosekunden-Pulsen 58 4.2 Charakterisierung unbehandelter Dünnschichten 58 4.2.1 Topographische Eigenschaften unbehandelter Metalldünnschichten 58 4.2.2 Optische und Elektrische Eigenschaften unbehandelter metallischer Filme 59 4.3 Charakterisierung lasergeglühter Metalldünnschichten 60 4.3.1 Optische Eigenschaften lasergeglühter Metallfilme 60 4.3.2 Elektrische Eigenschaften lasergeglühter Metallschichten 61 4.3.3 Schlussfolgerungen aus den Annealing-Experimenten 63 4.4 Ergebnisse der Modellrechnungen 63 4.4.1 Mathematische Simulation der Interferenzeigenschaften 63 4.5 Charakterisierung DLIP-strukturierter Metalldünnschichten 67 4.5.1 DLIP-Strukturierung von Silberdünnschichten ns-Pulsen 67 4.5.2 DLIP-Strukturierung von Silberdünnschichten mit ps-Pulsen 71 4.5.3 DLIP-Strukturierung von Kupferdünnschichten mit ns-Pulsen 77 4.5.4 DLIP-Strukturierung von Kupferdünnschichten mit ps-Pulsen 89 4.5.5 DLIP-Strukturierung von Aluminiumdünnschichten mit ns-Pulsen 93 4.5.6 DLIP-Strukturierung von Aluminiumdünnschichten mit ps-Pulsen 106 4.5.7 DLIP-Strukturierung von Chromdünnschichten mit ns-Pulsen 111 4.5.8 Charakterisierung DLIP-strukturierter Vielschicht-Substrate 116 4.6 Optische Charakterisierung 118 4.6.1 Optische Eigenschaften mittels ns-Pulsen strukturierter Filme 119 4.6.2 Optische Eigenschaften mittels ps-Pulsen strukturierter Filme 127 4.6.3 Optische Charakterisierung DLIP-strukturierter Vielschicht-Substrate 129 4.7 Elektrische Eigenschaften 131 4.7.1 Schichtwiderstand DLIP-strukturierter Metallelektroden 131 4.7.2 Schichtwiderstand DLIP-strukturierter Vielschicht-Elektroden 140 5 Zusammenfassung 144 6 Ausblick 149 7 Literaturverzeichnis 150 8 Anhang 161

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