Wasserstoff in Zinn(mon)oxid

• Antragsteller: Professor Dr. Eduard Lavrov
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467412802

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts war die Untersuchung der strukturellen und elektrischen Eigenschaften wasserstoffbezogener Defekte in Zinnoxiden. Zinn(IV)-oxid (SnO₂) ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke (3,6 eV), der in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird – darunter transparente leitfähige Elektronik, Solarzellen, Gassensoren, Touchscreens, Katalyse und Spintronik. SnO₂ zeigt durchgängig n-Typ-Leitfähigkeit, wie sie typisch für Übergangsmetalloxide ist, wobei selbst die reinsten Kristalle eine hohe spezifische Resistivität im Bereich von 10⁶ bis 10⁷ Ω·cm aufweisen. Trotz seiner weiten Verbreitung ist die mikroskopische Natur der Donor-Zustände in as-grown SnO₂ bislang ungeklärt. Eine Lösung dieses Problems würde das Verständnis des Materials erheblich vertiefen und könnte die Realisierung von p-Typ-Leitfähigkeit ermöglichen – ein entscheidender Schritt, da deren Fehlen derzeit die Entwicklung SnO₂-basierter Halbleiterbauelemente stark einschränkt. Im Gegensatz dazu ist Zinn(II)-oxid (SnO) ein p-Typ-Halbleiter – eine Seltenheit unter den Übergangsmetalloxiden. SnO besitzt eine indirekte Bandlücke von 0,7 eV sowie eine direkte Bandlücke im Bereich von 2,5 bis 3,4 eV, wodurch es eine hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich aufweist. Ähnlich wie bei SnO₂ ist auch hier die Natur der intrinsischen Leitfähigkeit weiterhin umstritten. Neuere theoretische Studien deuten darauf hin, dass wasserstoffbezogene Defekte sowohl für die n-Typ-Leitfähigkeit in SnO₂ als auch für die p-Typ-Leitfähigkeit in SnO verantwortlich sein könnten. Diese Hypothese bildete den Ausgangspunkt für eine umfassende Untersuchung im Rahmen unseres Projekts. Wir konnten interstitiellen Wasserstoff – den einfachsten wasserstoffbezogenen Defekt – in SnO₂ vollständig charakterisieren und nachweisen, dass er in reinem Material als Haupt-Donor fungiert. Darüber hinaus untersuchten wir Komplexe aus Wasserstoff und Übergangsmetall-Verunreinigungen, die beim Ersatz von Zinnatomen im Kristallgitter als Akzeptoren wirken. Insbesondere identifizierten wir einen spektroskopischen Marker für den Fe–O–H-Komplex. Zudem entdeckten wir bislang unbekannte Linien im Infrarotabsorptionsspektrum. Eine dieser Linien, vermutlich verursacht durch einen Wasserstoffkomplex mit Cr oder Ir, zeigt das Phänomen der Fermi-Resonanz – ein in solchen Materialien selten beobachteter Effekt. Eine weitere Linie, die elektronischen Übergängen mit Ir zugeordnet wird, könnte als Indikator für die Lage des Ferminiveaus in SnO₂ dienen. Eine im Projekt durchgeführte µSR-Messreihe an SnO-Proben ergab Hinweise darauf, dass Wasserstoff in SnO nicht als flacher Akzeptor wirkt. Als bedeutendes Nebenprodukt des Projekts wurde eine neue Methode zur Herstellung ohmscher Kontakte auf SnO₂-Oberflächen entwickelt, bei der das Material bei moderaten Temperaturen einer Wasserstoffplasmabehandlung unterzogen wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Comprehensive study of the interstitial hydrogen donor in SnO₂. Physical Review B, 108(20).
  Herklotz, F.; Lavrov, E. V.; Melnikov, V. V.; Galazka, Z. & Agekyan, V. F.
  
• Ohmic contacts on SnO2 produced by hydrogen plasma treatment. Applied Physics Letters, 125(4).
  Chaplygin, I.; Galazka, Z.; Herklotz, F. & Lavrov, E. V.
  
• “Ohmic contacts on SnO2 produced by hydrogen plasma treatment”, Conference “Transparent Conductive Oxides — Fundamentals and Applications”, Leipzig, Deutschland, 23–27.09.2024
  I. Chaplygin, Z. Galazka, F. Herklotz & E. V. Lavrov
  
• “The interstitial hydrogen donor in SnO2 : A comprehensive spectroscopic study”, Conference “Transparent Conductive Oxides — Fundamentals and Applications”, Leipzig, Deutschland, 23–27.09.2024
  F. Herklotz, E. V. Lavrov, V. V. Melnikov, Z. Galazka & V. F. Agekyan
  
• Transition metal–hydrogen complexes in SnO₂. Physical Review B, 111(19).
  Herklotz, F.; Chaplygin, I.; Lavrov, E. V.; Melnikov, V. V.; Galazka, Z. & Vines, L.
  
• “Transition metalhydrogen complexes in SnO2 ”, International Conference on Defects in Semiconductors 33, Shanghai, China . 13–19.09.2025
  F. Herklotz, I. Chaplygin, E. V. Lavrov, V. V. Melnikov, Z. Galazka & L. Vines