Das Ziel dieser Arbeit ist neben der Synthese von Sol-Gel-Funktionsschichten auf der Basis von
transparent leitfähigen Oxiden (transparent conducting oxides, TCOs) die umfassende infrarotoptische und elektrische Charakterisierung sowie Modellierung dieser Schichten. Es wurden sowohl über klassische Sol-Gel-Prozesse als auch über redispergierte Nanopartikel-Sole spektralselektive Funktionsschichten auf Glas- und Polycarbonat-Substraten appliziert, die einen möglichst hohen Reflexionsgrad im infraroten Spektralbereich und damit einhergehend einen möglichst geringen Gesamtemissionsgrad sowie einen niedrigen elektrischen Flächenwiderstand aufweisen. Zu diesem Zweck wurden dotierte Metalloxide, nämlich einerseits Zinn-dotiertes Indiumoxid (tin doped indium oxide, ITO) und andererseits Aluminium-dotiertes Zinkoxid (aluminum doped zinc oxide, AZO)verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vertieft verschiedene Parameter untersucht, die bei der Präparation von niedrigemittierenden ITO- und AZO-Funktionsschichten im Hinblick auf die Optimierung ihrer infrarot-optischen und elektrischen Eigenschaften sowie ihrer Transmission im sichtbaren Spektralbereich von Bedeutung sind.
Neben der Sol-Zusammensetzung von klassischen Sol-Gel-ITO-Beschichtungslösungen wurden auch
die Beschichtungs- und Ausheizparameter bei der Herstellung von klassischen Sol-Gel-ITO- sowie
-AZO-Funktionsschichten charakterisiert und optimiert. Bei den klassischen Sol-Gel- ITO-Funktionsschichten konnte als ein wesentliches Ergebnis der Arbeit der Gesamtemissionsgrad um 0.18 auf 0.17, bei in etwa gleichbleibenden visuellen Transmissionsgraden und elektrischen Flächenwiderständen, reduziert werden, wenn anstelle von (optimierten) Mehrfach-Beschichtungen Einfach-Beschichtungen mit einer schnelleren Ziehgeschwindigkeit anhand des Dip-Coating-Verfahrens hergestellt wurden. Mit einer klassischen Sol-Gel-ITO-Einfach-Beschichtung, die mit einer deutlich erhöhten Ziehgeschwindigkeit von 600 mm/min gedippt wurde, konnte mit einem Wert von 0.17 der kleinste Gesamtemissionsgrad dieser Arbeit erzielt werden.
Die Gesamtemissionsgrade und elektrischen Flächenwiderstände von klassischen Sol-Gel-AZOFunktionsschichten konnten mit dem in dieser Arbeit optimierten Endheizprozess deutlich gesenkt werden. Bei Neunfach-AZO-Beschichtungen konnten der Gesamtemissionsgrad um 0.34 auf 0.50 und der elektrische Flächenwiderstand um knapp 89 % auf 65 Ω/sq verringert werden. Anhand von Hall-Messungen konnte darüber hinaus nachgewiesen werden, dass mit dem optimierten Endheizprozess, der eine erhöhte Temperatur während der Reduzierung der Schichten aufweist, mit N = 4.3·1019 cm-3 eine etwa doppelt so hohe Ladungsträgerdichte und mit µ = 18.7 cm2/Vs eine etwa drei Mal so große Beweglichkeit in den Schichten generiert wurden, im Vergleich zu jenen Schichten, die nach dem alten Endheizprozess ausgehärtet wurden. Das deutet darauf hin, dass bei dem optimierten Heizschema sowohl mehr Sauerstofffehlstellen und damit eine höhere Ladungsträgerdichte als auch Funktionsschichten mit einem höheren Kristallisationsgrad und damit einhergehend einer höheren Beweglichkeit ausgebildet werden.
Ein Großteil der vorliegenden Arbeit behandelt die Optimierung und Charakterisierung von ITO-Nanopartikel-Solen bzw. -Funktionsschichten. Neben den verwendeten Nanopartikeln, dem
Dispergierungsprozess, der Beschichtungsart sowie der jeweiligen Beschichtungsparameter und der
Nachbehandlung der Funktionsschichten, wurde erstmals in einer ausführlichen Parameterstudie die
Sol-Zusammensetzung im Hinblick auf die Optimierung der infrarot-optischen und elektrischen
Eigenschaften der applizierten Funktionsschichten untersucht. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der verwendeten Stabilisatoren sowie der verwendeten Lösungsmittel auf die Schichteigenschaften charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird dargelegt, dass die exakte Zusammensetzung der Nanopartikel-Sole einen große Rolle spielt und die Wahl des verwendeten Lösungsmittels im Sol einen größeren Einfluss auf den Gesamtemissionsgrad und die elektrischen Flächenwiderstände der applizierten Schichten hat als die Wahl des verwendeten Stabilisators. Allerdings wird auch gezeigt, dass keine pauschalen Aussagen darüber getroffen werden können, welcher Stabilisator oder welches Lösungsmittel in den Nanopartikel-Solen zu Funktionsschichten mit kleinen Gesamtemissionsgraden und elektrischen Flächenwiderständen führt. Stattdessen muss jede einzelne Kombination von verwendetem Stabilisator und Lösungsmittel empirisch getestet werden, da jede Kombination zu Funktionsschichten mit anderen Eigenschaften führt.
Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals stabile AZO-Nanopartikel-Sole über verschiedene Rezepte hergestellt werden.
Neben der Optimierung und Charakterisierung von ITO- und AZO- klassischen Sol-Gel- sowie Nanopartikel-Solen und -Funktionsschichten wurden auch die infrarot-optischen Eigenschaften dieser Schichten modelliert, um die optischen Konstanten sowie die Schichtdicken zu bestimmen. Darüber hinaus wurden auch kommerziell erhältliche, gesputterte ITO- und AZO-Funktionsschichten modelliert. Die Reflexionsgrade dieser drei Funktionsschicht-Typen wurden einerseits ausschließlich mit dem Drude-Modell anhand eines selbstgeschriebenen Programmes in Sage modelliert, und andererseits mit einem komplexeren Fit-Modell, welches in der kommerziellen Software SCOUT aus dem erweiterten Drude-Modell, einem Kim-Oszillator sowie dem OJL-Modell aufgebaut wurde. In diesem Fit-Modell werden auch die Einflüsse der Glas-Substrate auf die Reflexionsgrade der applizierten Funktionsschichten berücksichtigt und es können die optischen Konstanten sowie die Dicken der Schichten ermittelt werden. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Ellipsometer installiert und geeignete Fit-Modelle entwickelt, anhand derer die Ellipsometer-Messungen ausgewertet und die optischen Konstanten sowie Schichtdicken der präparierten Schichten bestimmt werden können. / The aim of this thesis is on the one hand the synthesis of sol-gel functional layers on the basis of transparent conducting oxides (TCOs) and on the other hand a comprehensive infrared-optical and electrical characterization as well as modeling of these layers. Spectrally selective coatings have been prepared with the classical sol-gel route as well as with redispersed nanoparticle sols on glass and polycarbonate substrates and these coatings should have a reflectance in the infrared spectral range which is as high as possible and therefore a total emittance and an electrical sheet resistance which are as small as possible. For this purpose tin doped indium oxide (ITO) and aluminum doped zinc oxide (AZO) have been used as doped metal oxides.
Within this thesis several parameters have been investigated in-depth which play a decisive role in the preparation of ITO and AZO low emissivity coatings, in order to prepare such coatings with optimized infrared-optical and electrical properties as well as visual transmittances.
Besides the composition of the classical sol-gel ITO coating solutions, also the parameters of the coating as well as the heating processes have been characterized and optimized in the manufacture of classical sol-gel ITO and AZO functional layers.
As a significant result the total emittance of classical sol-gel ITO functional layers could be reduced by 0.18 to 0.17 while the visual transmittance and electrical sheet resistances stay approximately the same, if just one-layered coatings are applied with a higher withdrawal speed with the dip coating technique instead of (optimized) multi-layered coatings. With a classical sol-gel ITO single coating, which has been produced with a withdrawal speed of 600 mm/min, the smallest total emittance of this work could be realized with 0.17.
The total emittances and electrical sheet resistances of classical sol-gel AZO functional layers were reduced drastically in this work by using the optimized final heating process. The total emittance could be reduced by 0.34 to 0.50 and the electrical sheet resistance by 89 % to 65Ω/sq with a coating which consists of nine single layers. On the basis of Hall measurements it has been shown that coatings which were treated with the optimized heating process (which exhibits a higher temperature during the reducing treatment of the coatings) show a higher charge carrier density as well as a higher mobility than those coatings treated with the old heating process. With the optimized heating process the ninelayered coatings exhibit a charge carrier density of N = 4.3·1019 cm-3 which is approximately twice as high and a mobility of µ = 18.7 cm2/Vs which is about three times higher than the values of coatings which have been heated with the old process. This indicates that with the optimized heating process more oxygen vacancies and, associated therewith a higher charge carrier density as well as a higher crystallinity of the layer and thus a higher mobility are generated.
One focus of the presented work lies on the optimization and characterization of ITO redispersed
nanoparticle sols and functional layers respectively. In addition to the used nanoparticles, the
dispersion process, the coating type with the respective coating parameters and post-treatments of the functional layers also a detailed parameter study has been done. This parameter study examined the composition of the nanoparticle sols with a view to the optimization of the infrared-optical and electrical properties of the applied coatings. The coating properties have been studied in particularly with regard to the influence of the used stabilizers and solvents respectively. In this work it will be shown, that the accurate composition of the nanoparticle sols plays a decisive role and the choice of the used solvents has a bigger impact on the coating properties than the choice of the used stabilizers. However, it will also be shown, that no general statements can be made which stabilizers or which solvents within the sols lead to coatings which have small total emittances and small electrical sheet resistances. Instead
each combination of used stabilizer and used solvent has to be empirically tested since each
combination leads to coatings with different properties.
Furthermore stable AZO nanoparticle sols based on several formulas have been developed for the first time. Besides the optimization and characterization of ITO and AZO classical sol-gel as well as nanoparticle sols and functional layers, also the infrared-optical properties of these coatings have been modeled in order to determine the optical constants as well as the coating thicknesses. Furthermore also commercially available sputtered ITO and AZO coatings have been modeled. The reflectances of these three types of coatings have been modeled on the one hand by using only the Drude model within a self-written program in the software Sage. On the other hand these coatings have been modeled with more complex fitting models within the commercially available software called SCOUT. These more complex fitting models consist of the extended Drude model, a Kim oscillator and an OJL model and they also take the influence of the glass substrates on the reflectances of the applied coatings into account. By using these fitting models, the optical constants of the applied coatings and the coating thicknesses can be obtained. In addition an Ellipsometer has been installed as part of this work and suitable fitting models have been developed. These models can be used for analyzing the Ellipsometer measurements in order to determine the optical constants and the coating thicknesses of the coatings applied.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:11241 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Wolf, Nadine |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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