Segregationsphänomene und Grenzen der Leitfähigkeit von dotierten Indiumoxid-Dünnschichten

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Klein
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446742593

Dieses Projekt zielt auf ein verbessertes Verständnis der Grenzen der elektrischen Leitfähigkeit in polykristallinen donator-dotierten Indiumoxid Dünnschichten. Es soll geklärt werden, ob Schichten hergestellt werden können, die höhere elektrische Leitfähigkeiten aufweisen als derzeit erreicht. Es wird davon ausgegangen, dass dies durch eine Reduktion des Sauerstoffgehalts in den Schichten bei gleichzeitiger Vermeidung der Segregation der Dotierstoffes erreicht werden kann. Hierfür sind niedrigere Herstellungstemperaturen erforderlich. Die Schichten werden mittels Magnetron-Kathodenzerstäubung von unterschiedlich dotierten und vorbehandelten keramischen Targets und durch Ko-Zerstäubung mit metallischen Targets hergestellt, um gezielt den Sauerstoffgehalt in den Schichten reduzieren zu können. Die Abscheidung erfolgt bei niedrigen Temperaturen, um den Einbau von Sauerstoff aus der Umgebung zu vermeiden. Um die Kristallisation zu erhöhen, werden die Schichten auf mit Keimschichten bedeckten Substraten abgeschieden. Die Segregation wird durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) quantifiziert, die in-situ unmittelbar nach der Abscheidung erfolgt. Mithilfe der XPS kann auch das Ferminiveau und die Oxidationszustände des Indiums und der Dotierstoffe an den Oberflächen der Schichten bestimmt werden. Die Thermodynamik und Kinetik der Defekte wird wird mittels Hochtemperatur-Leitfähigkeits und Hall-Effekt Relaxations- und Ausheizexperimenten bei Variation des Drucks und der Gasatmosphäre analysiert. Desweiteren wird die zeitabhängige Diffusionsgleichung numerisch gelöst, um die entsprechenden Messungen beschreiben zu können. Die Segregation an Korngrenzen wird auch durch die Quantifizierung der Potentialbarrieren an Korngrenzen aus temperaturabhängigen Leitfähigkeitsmessungen validiert. Die Messungen sollen auch Klarheit darüber verschaffen ob die Segregation von Sn verhindert, dass Sn-dotierte Schichten bei bestimmten Ladungsträgerkonzentrationen nicht so hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten aufweisen wie z.B. mit Zr, Ti, Mo, oder Ce dotierte Schichten und ob es Herstellungswege gibt, mit denen diese Begrenzung vermieden werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen