Grundlegende Untersuchungen zu In2O3 Einkristallen

Beschreibung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen der elektronischen Struktur, der Transporteigenschaften und der Dotierung von In2O3-Einkristallen aus der Gruppe der transparenten leitfähigen Oxide (TCO). Die Physik dieser Festkörper war zur Beginn der Arbeit weitgehend unverstanden oder wurde zumindest kontrovers diskutiert. Deswegen wurden Details der elektronischen Struktur von In2O3 mittels hochauflösender winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie (ARPES) mit Synchrotron-Strahlung untersucht. Grundsätzlich konnten bei Messung an in situ- gespaltenen Einkristalloberflächen die Eigenschaften eines entarteten n-Typ Halbleiters mit direkter Bandlücke nachgewiesen werden. Dies ist im Hinblick auf publizierte Ergebnisse an dünnen Filmen hervorzuheben, bei denen oftmals zweidimensionale Ladungsanhäufungen an der Oberfläche gefunden wurden. Darüber hinaus konnten auch wichtige Parameter wie die Größe der Bandlücke und die effektiven Massen von Valenz- und Leitungsband bestimmt und die Fermi-Fläche als dreidimensionales Objekt im Impulsraum untersucht werden. Besonders ARPES Messungen bei niedrigen Photonenenergien zeigten zusätzlich eine Reihe von Bandlückenzuständen, die als Defektzustände im Zusammenhang mit der Dotierung diskutiert wurden. Im Bereich der Fermi-Energie wurde erstmals der Einfluss von polaronischen Wechselwirkungen auf die spektrale Funktion nachgewiesen. Um Zugang zu den intrinsischen Eigenschaften von In2O3 zu erhalten, wurden Einkristalle mit Hilfe des chemischen Gasphasen-Transports (CVT) selbst gezüchtet und charakterisiert. So wurde die stöchiometrische Zusammensetzung der In2O3-Kristalle mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) untersucht und die kristalline Struktur und die Gitterparameter mittels Röntgenbeugung bestimmt. Die Transporteigenschaften wie spezifischer Widerstand, Ladungsträgerdichte und Beweglichkeit wurden mittels einer Vier-Kontakt-Methode und Hall-Effekt-Messungen (Fünf-Kontakt-Methode) ermittelt, die den n-leitenden Charakter bei In2O3 bestätigten. Weiterhin wurde die Auswirkung der Temperung im Sauerstofffluss sowie der Luftlagerung auf die Transporteigenschaften der Kristalle untersucht und beschrieben. Die Bandlückenzustände wurden auch mittels Rastertunnelspektroskopie (STS) untersucht, ihre energetischen Positionen bestimmt und mit den Photoelektronen Spektroskopie-Daten verglichen. Es ergab sich nahezu identische quantitative Übereinstimmung. Die aus diesen beiden Messmethoden erhaltenen Bandlücken-Zustände wurden weiterhin mit den theoretischen Vorhersagen zur elektronischen Struktur und Messungen an dünnen In2O3-Filmen verglichen und diskutiert.

Autor*in

Valentina Scherer

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In2O3 Einkristalle Kristallzüchtung TCO elektronische Struktur

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