Materials World Network: Interdisciplinary bulk/surface studies of transparent conducting oxides
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Transparente leitfähige Oxide (TCO) werden unter anderem als Kontaktmaterialien für Dünnschichtsolarzellen, Leuchtdioden und Flachbildschirme, sowie als Gassensoren und Wärmedämmschichten verwendet. Mit dem kommerziellen Erfolg der Dünnschichtphotovoltaik und dem vielversprechenden Einsatz weißer organischer Leuchtdioden als Beleuchtungselemente, gewinnen TCOs zunehmend an Bedeutung. Ein primäres Auswahlkriterium für die Eignung von TCOs ist neben der optischen Transparenz die elektrische Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit ist vor allem durch gezielt eingebrachte Defekte bestimmt. Insgesamt sind die optischen und elektrischen Eigenschaften der TCO vergleichsweise gut bekannt, wenn auch die mikroskopischen Usachen für die beobacheten Phänomene nicht im Detail aufgeklärt sind. Darüber hinaus sind die Oberflächen und Grenzflächen der TCOs, insbesondere für elektronische Anwendungen wie Solarzellen und Leuchtdioden, oft wesentlich für die Funktion. Deren Eigenschaften waren jedoch nicht systematisch verstanden. Im abgeschlossenen Projekt wurden in Kooperation mit Prof. T.O. Mason von der Northwestern University in Evanston (USA) gezielt die elektronischen Eigenschaften von Oberflächen und Grenzflächen transparenter leitfähiger Oxide und deren Zusammenhang zur Defektchemie und damit den elektrischen Eigenschaften der Materialien untersucht. Die Ergebnisse liefern umfangreiche quantitative Werte für die Oberflächenpotentiale der wichtigsten TCOs. Zu den Oberflächenpotentialien gehören die Lage des Ferminiveaus, welches auf die elektrische Leitfähigkeit schliessen lässt, und die Austrittsarbeit, die unter Berücksichtigung der Lage des Ferminiveaus auf die Terminierung der Oberflächen schliessen lässt. Letztere beeinflusst direkt das Kontaktverhalten zu organischen Materialien. Dagegen konnte gezeigt werden, dass die Oberflächenterminierung keine Auswirkungen auf das Kontaktverhalten zu anorganischen Materialien, die für Solarzellen von Bedeutung sind, hat. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Oberflächenterminierung entscheidend für den Sauerstoffaustausch der Materialein ist. Sauerstoffaustausch ist prinzipiell für die Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften der TCOs von der Prozessierung verantwortlich, aber auch essentiell für Anwendungen wie Brennstoffzellen und Sauerstoff-Permeationsmembrane. Die komplementäre Untersuchung der Defektchemie und der Oberflächenterminierung im Projekt ermöglichte dabei erstmals grundlegende Zusammenhänge zwischen diesen beiden Phänomenen herzustellen. Es konnte gezeigt werden, dass die Oberfläche von SnO2 den Austausch von Sauerstoff durch deren Sauerstoff-Terminierung weitgehend blockiert, wogegen der Austausch bei In2O3 Oberflächen durch die Metall-Terminierung möglich ist. Die Beschichtung von SnO2 mit einer nur einen Nanometer dicken In2O3 Schicht ermöglicht den Austausch von Sauerstoff, wodurch die Untersuchung der Defektgleichgewichte für dieses Material erst ermöglicht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Surface vs. Bulk Electronic/Defect Structures of Transparent Conducting Oxides. Part I. Indium Oxide and ITO, Journal of Physics D: Applied Physics 39 (2006), 3959
S.P. Harvey, T.O. Mason, Y. Gassenbauer, R. Schafranek, and A. Klein
- Barrier Heights at the SnO2/Pt Interface: In-situ Photoemission and Electrical Properties, Surf. Sci. 602 (2008), 3246
C. Körber, S.P. Harvey, T.O. Mason, and A. Klein
- Carrier Generation and Inherent Off-Stoichiometry in Zn, Sn Codoped Indium Oxide (ZITO) Bulk and Thin-Film Specimens, J. Am. Ceram. Soc. 91 (2008), 467
S.P. Harvey, T.O. Mason, D.B. Buchholz, R.P.H. Chang, C. Körber, and A. Klein
- Evidence for surface dipole modifications in In2O3-based transparent conductors, Appl. Phys. Lett. 92 (2008), 252106
S.P. Harvey, T.O. Mason, C. Körber, Y. Gassenbauer, and A. Klein
- The nature of the bandgap in In2O3 revealed by first-principles calculations and X-ray spectroscopy, Phys. Rev. Lett. 100 (2008), 167402
A. Walsh, J.L.F. Da Silva, S.-H. Wei, C. Körber, A. Klein, L.F.J. Piper, A. DeMasi, K.E. Smith, G. Panaccione, P. Torelli, D.J. Payne, A. Bourlange, and R.G. Egdell
- Bulk defect chemistry and surface electronic behavior of Zn,Sn codoped In2O3 transparent conducting oxides, Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 3099
S.P. Harvey, T.O. Mason, C. Körber, and A. Klein
- Electronic structure of In2O3 from resonant x-ray emission spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 94 (2009), 022105
L.F.J. Piper, A. DeMasi, S.W. Cho, K.E. Smith, F. Fuchs, F. Bechstedt, C. Körber, A. Klein, D.J. Payne, and R.G. Egdell
- Surface and Bulk Properties of Sputter Deposited Intrinsic and Doped SnO2 Thin Films, Sensors and Actuators B 139 (2009), 665
C. Körber, P. Ágoston, and A. Klein
- Surface Potentials of Magnetron Sputtered Transparent Conducting Oxides, Thin Solid Films (2009)
A. Klein, C. Körber, A. Wachau, F. Säuberlich, Y. Gassenbauer, R. Schafranek, S.P. Harvey, and T.O. Mason
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.05.057)
