Im Rahmen dieser Arbeit wurden elektrische Messungen auf nanoskopischer Skala an Ku- pferiodid (CuI) Dünnschichten und Kristallen mittels Rasterkraftmikroskopie durchgeführt. Der Schwerpunkt lag dabei auf polykristallinen Dünnschichten.
Dafür wurden polykristalline γ-CuI Filme mittels reaktiver Kathodenzerstäubung (Sputtern) hergestellt. Diese bestehen aus kristallinen Körnern im Nanometerbereich, welche durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Sowohl die Körner als auch die Korngrenzen beeinflussen den Stromfluss innerhalb der Schichten und an der Oberfläche. Zusätzlich treten Veränderungen der Leitfähigkeit aufgrund von Desorptions,- und Adsorptionseffekten auf. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein Verfahren entwickelt werden, mit dem die elektrischen Eigenschaften differenziert von den Oberflächeneigenschaften (Kornoberfläche bzw. Korngrenze) untersucht werden können. Damit wird eine Korrelation zwischen den Defektdichten und den daraus resultierenden elektrischen Eigenschaften erzeugt. Zusätzlich wurde ein neues Mess,- und Auswertungsverfahren entwickelt, mit dem große Mengen an Rasterkraftmikroskopiedaten aufgezeichnet und bearbeitet werden können. Dadurch war es möglich, Zusammenhänge zwischen der elektrischen Oberflächenleitung und externen Parametern wie der Umgebungstemperatur oder der angelegten Spannung aufzudecken. Dies führte zu tiefgreifenden Einblicken in die Mechanismen, welche die Oberflächenleitfähigkeit von Kupferiodid verstärken oder abschwächen.
Um ein gesamtheitliches Bild der morphologischen und elektrischen Eigenschaften von Kupferiodid zu erhalten, wurden in dieser Arbeit verschiedene Messmethoden eingesetzt. Sowohl mikroskopische Messungen wie Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie als auch makroskopische Messungen größerer Bereiche der Dünnshicht wie Hall-Effekt Messungen und Röntgendiffraktometrie wurden zusammengetragen. So konnten Erkenntnisse über unterschiedlich strukturierte polykristalline Dünnschichten mit veränderten Korngrößen und -formen sowie über chemisch erzeugte Kristalle gewonnen werden. Von besonderer Bedeutung sind Untersuchungen, die Umwelteinflüsse wie Sauerstoffdiffusion, Wasseradsorption und -desorption sowie Oberflächenveränderungen durch Reibungskräfte während der Messung genauer bestimmen.
Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Modell vorgestellt, welches die elektrischen Eigenschaften und das Leitungsverhalten der Oberflächen beschreibt. Mit Hilfe dieses Modells lassen sich auch die oben genannten Umwelteinflüsse, insbesondere der Einfluss der Sauerstoffadsorption, auf die elektrischen Eigenschaften der Kupferiodid Dünnschichtoberflächen
erklären. Zusätzlich ist es damit möglich, die lokalen Unterschiede der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von Defektdichten (Kornoberflächen und Korngrenzen) und den Einfluss von Temperatur, Wasser an der Oberfläche und Reibungskräften während der Messung zu erklären.:Contents
1 Introduction
2 Theoretical background
2.1 Material properties: Copperiodide
2.2 Defects in semiconductors
2.2.1 Defects in general
2.2.2 Surface states
2.2.3 Grain boundaries
3 Material characterization and fabrication
3.1 Atomic force microscopy (AFM) in general
3.1.1 Contact and non-contact mode
3.1.2 Deployed AFMs
3.1.3 Deployed probes
3.2 Nanoelectrical AFM Modes
3.2.1 Current probe AFM( cp-AFM)
3.2.2 Scanning capacitance microscopy
3.2.3 Kelvin probe force microscopy
3.2.4 Sequential atomic force microscopy and correlation with masks
3.3 Hall-effect measurement method according to van der Pauw
3.4 X-ray diffraction
3.5 Sample fabrication with sputtering
4 Experimental results
4.1 Sputtered thin films: copper iodide with triangular shaped grains
4.1.1 Temperature dependent growth
4.1.2 Morphology and twinning: Scanning electron microscopy and
transmission electron microscopy
4.1.3 Sequential cp-AFM: Voltage
4.1.4 Voltage point spectroscopy
4.1.5 Time-dependent variations
4.1.6 Plasmatreatment
4.1.7 Sequential cp-AFM: Temperature
4.1.8 Sequential cp-AFM: Pressure
4.1.9 Scanning capacitance microscopy
4.2 Sputtered thin films: Copper iodide with isolated nano crystals
4.3 Micro crystals
4.4 Thin films fabricated by pulsed laser deposition
5 Proposed model of surface conductance
6 Supporting measurements and technical remarks
6.1 Current probe AFM
6.1.1 Influence of contact area
6.1.2 Independence from scan direction
6.1.3 Line shaped artefacts
6.2 Sequential AFM
6.2.1 Independence from applied voltage
6.2.2 Drift of samples
6.3 Sequential scanning capacitance microscopy
6.4 Kelvin probe force microscopy
6.4.1 Tip sample distance dependency
6.4.2 Light and position on sample
6.5 The deployed code and evaluation approach
7 Summary and outlook
Abbreviations
Bibliography
List of Own and Contributed Articles / Abstract:
Within the scope of this work, electrical investigations on a nanoscopic scale on copper iodide (CuI) thin films and crystals were carried out using atomic force microscopy. The focus was particularly on polycrystalline thin films.
For this purpose, γ-CuI films were fabricated by means of reactive sputtering. These consist of crystalline grains in the nanometre range, which are separated from each other by grain boundaries. Both, the grains and the grain boundaries influence the current within the sample and at the surface. In addition, changes in conductivity occur due to desorption and adsorption effects.
In this work, a method has been developed which allows the investigation of electrical properties differentiated by surface characteristics (grain surface or grain boundary). This allows a correlation between the defect densities and the resulting electrical properties.
In addition, a new measurement and evaluation method was developed that allows large amounts of atomic force microscopy data to be recorded and processed. This made it possible to determine correlations between the electrical surface conduction and external parameters such as the temperature during the measurement and also the applied voltage. This led to profound insights into the mechanisms that enhance and attenuate the surface conductivity of copper iodide.
In order to obtain an overall picture of the morphological and electrical properties of copper iodide, various measurement methods were used in this work. Microscopic measurements such as atomic force microscopy and transmission electron microscopy as well as macroscopic measurements of larger areas of the thin films such as Hall-effect measurements and X-ray diffraction were combined. Thus, it was possible to gather findings on differently structured polycrystalline thin films with various grain sizes and shapes and chemically fabricated millimetre sized crystals. Of particular importance are investigations that determine environmental influences such as oxygen diffusion and water adsorption/desorption as well as changes in the surface conduction due to frictional forces during the measurement.
Based on these results, a model is presented which describes the electrical properties and the conduction behaviour of the surfaces. With the help of this model, the influence of the above mentioned environmental influences, in particular of oxygen adsorption, on the electrical properties of the copper iodide thin film surfaces can be explained. In addition, it is possible to explain the local differences in conductivity as a function of defect densities (grain surfaces/grain boundaries) and the influence of temperature during measurement, water on the surface and friction forces during measurement.:Contents
1 Introduction
2 Theoretical background
2.1 Material properties: Copperiodide
2.2 Defects in semiconductors
2.2.1 Defects in general
2.2.2 Surface states
2.2.3 Grain boundaries
3 Material characterization and fabrication
3.1 Atomic force microscopy (AFM) in general
3.1.1 Contact and non-contact mode
3.1.2 Deployed AFMs
3.1.3 Deployed probes
3.2 Nanoelectrical AFM Modes
3.2.1 Current probe AFM( cp-AFM)
3.2.2 Scanning capacitance microscopy
3.2.3 Kelvin probe force microscopy
3.2.4 Sequential atomic force microscopy and correlation with masks
3.3 Hall-effect measurement method according to van der Pauw
3.4 X-ray diffraction
3.5 Sample fabrication with sputtering
4 Experimental results
4.1 Sputtered thin films: copper iodide with triangular shaped grains
4.1.1 Temperature dependent growth
4.1.2 Morphology and twinning: Scanning electron microscopy and
transmission electron microscopy
4.1.3 Sequential cp-AFM: Voltage
4.1.4 Voltage point spectroscopy
4.1.5 Time-dependent variations
4.1.6 Plasmatreatment
4.1.7 Sequential cp-AFM: Temperature
4.1.8 Sequential cp-AFM: Pressure
4.1.9 Scanning capacitance microscopy
4.2 Sputtered thin films: Copper iodide with isolated nano crystals
4.3 Micro crystals
4.4 Thin films fabricated by pulsed laser deposition
5 Proposed model of surface conductance
6 Supporting measurements and technical remarks
6.1 Current probe AFM
6.1.1 Influence of contact area
6.1.2 Independence from scan direction
6.1.3 Line shaped artefacts
6.2 Sequential AFM
6.2.1 Independence from applied voltage
6.2.2 Drift of samples
6.3 Sequential scanning capacitance microscopy
6.4 Kelvin probe force microscopy
6.4.1 Tip sample distance dependency
6.4.2 Light and position on sample
6.5 The deployed code and evaluation approach
7 Summary and outlook
Abbreviations
Bibliography
List of Own and Contributed Articles
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:92742 |
| Date | 23 July 2024 |
| Creators | Stralka, Tillmann |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/updatedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1002/pssa.202200883, 1862-6300, 10.1002/pssa.202200883, 10.1002/adem.202201666, 10.1021/acsaelm.0c00692, 10.1039/D1MA00204J, 10.1063/5.0030675 |
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