Niedertemperatur-Wachstum von ZnO-Nanosäulen für optoelektronische Anwendungen (eBook)

Bianca Postels (Autor)

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2009 | 1. Auflage
144 Seiten
Cuvillier Verlag
978-3-7369-3045-2 (ISBN)

Infos

ZnO-Nanosäulen als Basis für miniaturisierte Bauelemente spielen eine wichtige Rolle im Bereich zukunftsweisender Nanotechnologien. In den letzten Jahren haben sich vor allem gasphasenepitaktische Wachstumsmethoden im Bereich des Nanosäulen-Wachstums etabliert. Diese sind allerdings mit hohen Wachstumstemperaturen und hohem apparativem Aufwand verbunden. Als Alternative zu diesen Methoden wurden im Rahmen dieser Arbeit nass- und elektrochemische Herstellungsansätze entwickelt. Interessant sind diese Ansätze vor allem wegen ihrer geringen Wachstumstemperaturen von maximal 90 ?C und des geringen apparativen Aufwands, die diese Methoden besonders kostengünstig machen. In der Literatur fehlen bislang systematische Untersuchungen des nasschemischen Wachstumsverfahrens, die für eine kontrollierte Herstellung und eine weitere Etablierung der Methode insbesondere in Hinblick auf Bauelemente-Anwendungen unerlässlich sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, diese Lücke zu schließen und ein tieferes Verständnis des nasschemischen Wachstums zu gewinnen. ZnO-Nanosäulen wurden in einem speziell dafür konzipierten Aufbau in einer wässrigen Lösung aus Zinknitrat (Zn(NO3)2) und HMT (C6H12N4) synthetisiert. Erste Versuche auf Si haben gezeigt, dass für ein homogenes Wachstum von ZnO-Nanosäulen-Ensembles eine Oberflächenaktivierung notwendig ist. Eine Schicht aus ZnO-Nanokristallen diente dabei als Keimschicht. Diese ermöglichte es, reproduzierbar homogene und dichte Ensembles auf dem gesamten Wafer herzustellen. Anhand von Transmissionselektronenmikroskop(TEM)-Untersuchungen an der Substrat/Nanosäulen-Grenzfläche war es möglich, ein anschauliches Modell für die Wachstumsmechanismen zu entwickeln. Als weitere Option wurden Metallfilme erfolgreich zur Oberflächenaktivierung eingesetzt. Insbesondere Silberschichten führten zu gut ausgerichteten ZnO-Nanosäulen-Ensembles. DasWachstum auf mit Silber vorstrukturierten Glassubstraten zeigte bei geeigneter Wahl der Wachstumsparameter eine hohe Selektivität. Diese zeichnete sich durch ein dichtes Wachstum auf der Silberoberfläche und keine Abscheidung auf der Glasoberfläche aus. So war es möglich, strukturierte Nanosäulen-Ensembles ohne anschließende aufwändige fotolithografische Strukturierungsschritte herzustellen. Zum grundsätzlichen Verständnis der nasschemischen Wachstumsmethode war es wichtig, den Einfluss der Wachstumsparameter auf die Morphologie und die kristallinen und optischen Eigenschaften der Proben zu bestimmen. Es wurden Reaktandenkonzentrationen zwischen 0,01 und 0,1 mol/l, Wachstumszeiten von bis zu 8 h, die Zahl der Wachstumszyklen, Wachstumstemperaturen zwischen 60 und 90 ?C und unterschiedliche HMT/Zinknitrat-Verhältnisse verwendet und ihr Einfluss auf das Wachstum systematisch untersucht. Anhand der gewonnenen Ergebnisse konnten unter den genannten Bedingungen ZnO-Nanosäulen mit Durchmessern zwischen 20 und 300 nm und Längen von 0,4 bis 6 µm kontrolliert hergestellt werden. So führten höhere Konzentrationen zu größeren Durchmessern, wohingegen die Länge vor allem durch dieWachstumsdauer bestimmt wurde. Trotz der geringen Wachstumstemperaturen besitzen die Nanosäulen eine gute kristalline und optische Qualität. TEM- und Röntgendiffraktometrie(XRD)-Untersuchungen zeigen, dass die ZnONanosäulen einkristallin und versetzungsfrei sind. Photolumineszenz(PL)-Spektren bei Raumtemperatur zeigen die für ZnO typische Emission im UV-Bereich bei 3,3 eV (Linienbreite - 120 meV) und zusätzlich eine breite Bande im sichtbaren Spektralbereich mit einem Maximum bei 2,1 eV (orange Lumineszenz), die Punktdefekten im Kristall zugeordnet wird. Das Auftreten von Phononenreplika in Niedertemperatur-Spektren ist ein Beweis für die gute optische Qualität der Proben. Die breite UV-Emission resultiert aus einer hohen Donatorkonzentration, die auch in dem nominell undotierten Kristall vorhanden ist. Diese wird auch durch elektrische Messungen bestätigt. Untersuchungen an einzelnen Nanosäulen zeigen geringe spezifische Widerstände von 4 - 5 Ocm, die ebenfalls auf eine hohe Ladungsträgerkonzentration hinweisen. Die geringen Wachstumstemperaturen und die Verwendung von wenig reaktiven Chemikalien ermöglichte das Wachstum auf unterschiedlichsten Substratmaterialien. So konnte neben dem Wachstum von ZnO-Nanosäulen-Ensembles auf (100)Si, auch eine erfolgreiche Abscheidung auf Al2O3, SiC, ITO (In-dotiertes Sn2O) beschichtetem Glas, Silikon und PEN-Folie (Polymerfolie) demonstriert werden. Dabei zeigten sich keine signifikanten Unterschiede in der Wachstumsmorphologie und in den optischen Eigenschaften der Proben. Bemerkenswert war zudem, dass auch das Wachstum von ZnO-Nanosäulen auf dreidimensionalen Oberflächen möglich war. So wurden neben Glasfasern auch texturierte Siliziumoberflächen mit dichten ZnO-Nanosäulen versehen. Derartige Beschichtungen sind mit herkömmlichen gasphasenepitaktischen Wachstumsmethoden sehr schwierig bzw. gar nicht zu realisieren und eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten von ZnO-Nanostrukturen im Bereich funktioneller Beschichtungen. Im Idealfall möchte man Nanostrukturen direkt zwischen Metallkontakten abscheiden. Damit kann eines der Hauptprobleme der Nanotechnologie, die spätere Kontaktierung einzelner Nanostrukturen, komplett vermieden werden. Hier wurden dazu Metallleiterbahnen auf Si/SiO2 in Fingerstrukturen hergestellt. Mithilfe von Elektrodeposition wurden dann ZnO-Nanosäulen zwischen benachbarten Leiterbahnen gewachsen. Die hergestellten Nanosäulen besaßen ähnlich gute strukturelle und optische Eigenschaften wie die naßchemisch abgeschiedenen Strukturen. Bei den mit Elektrodeposition hergestellten Proben hat sich ein deutlicher Einfluss von UV-Beleuchtung und Umgebungsatmosphäre auf die I-U-Kennlinien gezeigt. Dieses Verhalten bildet die Grundlage für mögliche Anwendungen in der Sensorik. Nachdem das nasschemische Wachstum von ZnO-Nanosäulen erfolgreich demonstriert werden konnte, wurden die hergestellten Strukturen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in farbstoffsensibilisierten Solarzellen (dye sensitized solar cell, DSSC) untersucht. Es wurden DSSCs basierend auf ZnO-Nanosäulen auf ITO beschichtetem Glas, dem Farbstoff Ru 535 bis-TBA und dem festen Löcherleiter Kupferthiocyanat (CuSCN) entwickelt. Dabei zeigte sich, dass während der Farbstoffbeschichtung Zn2+-Ru-Komplexe entstehen. Aufgrund der sauren Umgebung, die durch die Deprotonierung des Ru 535 bis-TBA hervorgerufen wird, dissoziiert ZnO zu Zn2+-Ionen, die mit dem deprotonierten Farbstoff die genannten Komplexe ausbilden können. Durch diesen Mechanismus wird die Elektroneninjektion in die ZnO-Nanosäulen limitiert.Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Beschichtung mit CuSCN nicht ohneWeiteres rissfrei und reproduzierbar ist. Die hergestellten ZnO/Farbstoff/CuSCN-Solarzellen erzielten so eine Leerlaufspannung von 0,41 V, eine Empfindlichkeit von 1,4·10-2 A/W, einen Füllfaktor von 47 % und eine Effizienz von 0,3 %. Durch eine Optimierung der Farbstoffe hinsichtlich einer Anpassung an ZnO und die weitere Verbesserung der CuSCN-Beschichtung kann allerdings eine Steigerung der Effizienz erwartet werden.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 10.8.2009
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik
• ISBN-10: 3-7369-3045-3 / 3736930453
• ISBN-13: 978-3-7369-3045-2 / 9783736930452