Untersuchungen der Defektzentren in neuartigen Zinkoxid-Nano-Partikeln mit in situ-Elektron-Spin-Resonanz (ESR) und Optischer Spektroskopie

• Antragsteller: Professor Emre Erdem, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 194268543

Vorliegender Forschungsantrag über nano-struktuiertes Zinkoxid (ZnO) ist motiviert durch neuartige Anwendungsmöglichkeiten als Electrodenmaterial für Solarzellen, licht-emittierende Dioden, Leuchtstoffe, Thermoelektrika, druckbare Elektroniken, Varistoren, Sensoren, oder Nano-Generatoren. Alle diese Anwendungen nutzen die Halbleitereigenschaften des n-Typ ZnO mit direkter und großer (3.4 eV) Bandlücke und mit dem Vorteil, dass die gewünschten Materialeigenschaften durch Kontrolle der Defektstruktur mit der Hilfe von reduzierter Kristallgröße oder Dotierung. Trotz ihrer Vorteile ist die mangelnde Kenntnis über grundlegende Eigendefekte und dotierenden Ionen ein Hindernis für die Entwicklung von elektronischen Bauelementen, welche die p-Typ-Leitfähigkeit für hohe Leistung erfordert. Die Schwierigkeit zuverlässiger p-Typ ZnO herzustellen, ist mit den intrinsischen und extrinsischen Defekten wie den Zwischengitterplätzen, Vakanzen und Doping-Ionen begründet. Obwohl verschiedene ZnO Verbindungen ausgiebig von vielen Forschern in den letzten Jahrzehnten untersucht wurden, gibt es immer noch Diskussionen über verschiedenen Eigenschaften und einige Aspekte sind unklar. Die Dinge werden komplizierter und kontrovers, wenn die Kristallgröße auf die Nano-Dimension beschränkt ist. Obwohl Metallionendotierung und Morphologie eine entscheidende Rolle für die Materialeigenschaften spielen, ist die Synthesemethode ein zusätzlicher, wichtiger Faktor. Diese bewirkt die Art und Konzentration der intrinsischen Defekte oder Verunreinigungen. Das vorgeschlagene Projekt könnte ein grundlegendes Verständnis von Defekten in ZnO, die zum zuverlässigen p-Typ ZnO führen. Die Ergebnisse der elektronischen, optischen und elektrischen Charakterisierung könnten die Grundlage für die industrielle und wirtschaftliche Herstellung von p-Typ-ZnO zu ergeben. Dieses Projekt wird das physikalische Verständnis der Defektstrukturen in bulk-Partikel-, Nanopartikel-, Quantenpunkt- und gesinterter Keramik (Varistor) Form von ZnO bieten.Ziele des Forschungsvorhabens sind:1) Die Synthese von rein und Metall-Ionen dotierten ZnO-Nanopartikel und Quantenpunkt auf verschiedenen Methoden.2) Das Verständnis der grundlegenden Struktureigenschaften (XRD, TEM, FTIR) von ZnO und untersuchen die elektronische- (EPR, ENDOR), optische- (PL) und elektrische (Impedanz) Eigenschaften der intrinsischen und extrinsischen Defekten.3) Die Aufklärung der Oberflächendefekte und die Rolle von Wasserstoff in ZnO-Nanopartikeln.4) Das Verständnis der Quanten-Confinement-Effekte in ZnO-Quantenpunkte.5) Die Optimierung der Bandstruktur oder Bandlückenzustände in ZnO durch Steuerung der Defekte.6) Das Verständnis der Wirkung von Metalloxid-Additiven auf die elektronischen, elektrischen und optischen Eigenschaften von ZnO-basierten Varistoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen