guest ::
C-AFM-Messungen an Hämatit-Nanopartikeln auf verschiedenen Substraten = C-AFM measurements of hematite nanoparticles on various substrates
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-02
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
C-AFM (frei) ; Halbleiterheteroübergang (frei) ; Hämatit (frei) ; IV characteristics (frei) ; IV-Kurve (frei) ; Nanopartikel (frei) ; Schottky barrier (frei) ; Schottky-Barriere (frei) ; hematite (frei) ; nanoparticles (frei) ; resistive switching (frei) ; semiconductor heterojunction (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung elektrischer Eigenschaften von halbleitenden Hämatit-Nanopartikeln auf verschiedenen Substraten mittels Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (C-AFM). Die untersuchten Nanopartikel sollten, aufgrund ihrer passenden Absorption im optischen Spektrum und der nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit ihres Materials, als Teil eines innovativen Solarzellenkonzepts als zusätzliche Absorber in einer Dünnschichtsolarzelle dienen. Für die Qualität und Effizienz einer solchen Solarzelle sind nicht nur Absorption und strukturelle Eigenschaften der Nanopartikel wichtig, sondern auch die elektrischen Eigenschaften und der Einfluss des Übergangs zwischen Nanopartikel und gewähltem Substrat. Daher werden in der vorliegenden Dissertation unterschiedliche Substratmaterialien, eine Goldschicht, eine Schicht aus, mit Aluminium dotiertem Zinkoxid (üblicherweise als transparenter, leitfähiger Kontakt eingesetzt), je ein Schichtstapel aus dotiertem Zinkoxid und p-dotiertem und n-dotiertem amorphem Silizium, eine Schicht p-dotiertes Siliziumcarbid und eine Schicht n-dotiertes Siliziumcarbid, verwendet. Die Probenherstellung erfolgt durch Rotationsbeschichtung der verschiedenen Substrate mit nominell sphärischen Hämatit-Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 73 nm aus einer wässrigen Suspension. Die anschließende Einbettung der Nanopartikel in einen isolierenden Fotolack und die Freiätzung der Nanopartikeloberseiten im Sauerstoffplasma ermöglichen eine Fixierung auf dem Substrat und die elektrische Kontaktierung durch die leitfähige Messspitze eines Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskops. Messungen von lokalen Strom-Spannungs-Kurven an einzelnen Nanopartikeln durch Anlegen einer Spannung am Substrat und Messen des Stromflusses über die leitfähige Messspitze ergeben auf allen Substraten, außer auf der einzelnen Zinkoxidschicht, deutlich zum Nullpunkt unsymmetrische Kennlinien mit einer sperrenden und einer durchlassenden Spannungspolarität. Welche Spannungspolarität durchlassende Eigenschaften zeigt, hängt augenscheinlich von der Art und Dotierung des jeweiligen Substrats ab. Bei Goldschichten und p-dotierten Substraten ist eine positive Substratspannung durchlassend, während es bei n-dotierten Substraten die negative Spannungspolarität ist. Messungen mit verschiedenen Beschichtungsmaterialien der Messspitze (Gold, Iridium, Platinsilizid) zeigen keinen signifikanten Einfluss des Spitzenmaterials auf die jeweils gemessenen Kennlinien, weshalb auf die Dominanz des Übergangs zwischen Nanopartikel und Substrat für die Eigenschaften der beobachteten Kennlinien geschlossen wird. Eine Variation der Messgeschwindigkeit zeigt keinen Zusammenhang mit der gemessenen Kurvenform. Die Eigenschaften der, an Proben mit Goldsubstrat gemessenen, Kennlinien weisen auf die Ausbildung eines Schottky-Kontaktes zwischen den nominell n-dotierten Nanopartikeln und dem Substrat hin. Zudem lässt sich das Auftreten von exponentiellen Formen der Strom-Spannungs-Kennlinien daraufhin deuten, dass thermische Emission über die Grenzfläche der dominante Prozess ist. Bei den anderen Substrattypen bilden sich entsprechend anisotype p-n (p-dotiertes amorphes Silizium oder Siliziumcarbid) bzw. isotype n-n (n-dotiertes amorphes Silizium oder Siliziumcarbid, Zinkoxid) Halbleiterheterokontakte aus. Basierend auf den angenommenen Werten für Elektronenaffinitäten und Bandlücken der beteiligten Materialien lässt sich darauf schließen, dass der Strom in Durchlassrichtung bei den p-n Heterokontakten durch Rekombination der, bei positiver Substratspannung ins Substrat injizierten, Elektronen und entsprechenden Löchern aus dem Hämatit zustande kommt. Bei den n-n Heterokontakten hingegen wird der Durchlassstrom durch die Elektronen als einzige Majoritätsladungsträger getragen, die durch eine negative Spannung am Substrat über eine Barriere in Form einer Spitze-Kerbe-Struktur im Leitungsband gehoben werden müssen. Aufgrund der sehr hohen Dotierung des Zinkoxids ist bei diesen Substrattypen die Barriere so dünn, dass sie durchtunnelt werden kann, weshalb in diesem Fall kein signifikantes gleichrichtendes Verhalten zu beobachten ist. Das Auftreten von Strom-Spannungs-Kennlinien, die abschnittsweisen Potenzfunktionen mit Exponenten größer zwei folgen, deutet auf einen Beitrag des Volumens der beteiligten Materialien in Form von Raumladungslimitiertem Transport unter Beteiligung von Defekten hin. Bei Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien mit abwechselnd steigender und fallender Spannung zeigen sich zum Teil deutliche Hysteresen. Diese lassen sich auf einen bipolaren resistiven Schaltvorgang im Nanopartikelmaterial, wahrscheinlich unter Beteiligung von migrierenden, bzw. durch Redoxreaktionen an der Grenzfläche zwischen Substrat und Nanoartikel entstehenden und verschwindenden, Sauerstofffehlstellen, zurückführen. Auch eine Kombination aus einer Migration von Sauerstofffehlstellen im Bereich der Raumladungszone und Bildung und Ruptur von leitfähigen Filamenten kann als Erklärung herangezogen werden.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT031584706
Interne Identnummern
RWTH-2026-08358
Datensatz-ID: 1041094
Beteiligte Länder
Germany
|
The record appears in these collections: |