Laserbasierte Kristallisation von nasschemisch applizierten Lanthan-Nickel-Oxid-Schichten

Fink, Samuel Moritz; Schmitt, Robert H.; Loosen, Peter

doi:10.18154/RWTH-2024-08101

Laserbasierte Kristallisation von nasschemisch applizierten Lanthan-Nickel-Oxid-Schichten = Laser-based crystallization of chemical solution deposited lanthanum nickel oxide films

Fink, Samuel Moritz^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeSamuel Moritz Fink

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-227-6, 9783985552276

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Lasertechnik

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Loosen, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-08101
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/992262/files/992262.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
crystallization (frei) ; lanthanum nickel oxide (frei) ; laser (frei) ; micro-electro-mechanical systems (frei) ; thin films (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Mit den wachsenden technologischen Herausforderungen unserer globalisierten Welt wächst auch der Bedarf an hochspezialisierten Funktionsmaterialien, die eine Schlüsselrolle in Zukunftstechnologien wie Mikroelektronik, Quantentechnologie und Fusionstechnologie einnehmen. Im Zuge dieser Entwicklung konnten in den letzten Jahren große Fortschritte durch die Erschließung neuer Materialklassen wie beispielsweise Perowskite erzielt werden. Dabei handelt es sich um meist oxidische Keramiken der allgemeinen Summenformel ABO3, wobei A und B verschiedene Metallionen darstellen. Lanthan-Nickel-Oxid oder kurz LNO (LaNiO3) gehört ebenfalls zu dieser Materialklasse und zeichnet sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur aus. Diese, bei Keramiken eher exotische Eigenschaft, macht LNO zu einem potenziellen Kandidaten in vielen technischen Anwendungen, beispielsweise als Elektrode in Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), als Seed-Layer für das Wachstum von piezokeramischen Schichten oder als Funktionsmaterial in Sauerstoff-Sensoren. LNO wird schon seit einigen Jahrzehnten wegen seiner besonderen physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Herstellung von dünnen LNO-Schichten, wie sie in den meisten Anwendungen benötigt werden, erfolgt meist nasschemisch und erfordert einen thermischen Schritt zur Kristallisation der Schichten. Dieser wird meist mittels Ofen oder Heizelementen durchgeführt und benötigt mehrere Minuten bis Stunden. Die übergeordnete Zielsetzung dieser Arbeit besteht in der erstmaligen Entwicklung eines laserbasierten Verfahrens zur Herstellung von kristallinen LNO-Schichten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. In diesem Zusammenhang ist auch die Entwicklung von applikationsangepassten Funktionstinten erforderlich, welche die Anforderungen an ein laserbasiertes Verfahren erfüllen. Zur Erreichung der Ziele werden zunächst verschiedene Funktionstinten hinsichtlich ihrer Eignung in einem laserbasierten Verfahren untersucht und charakterisiert. Anschließend werden die Einflussfaktoren auf den Kristallisationsprozessdünner LNO-Schichten quantifiziert und geeignete Bedingungen für ein laserbasiertes Verfahren abgeleitet. Aufbauend auf diese Versuche werden verschiedene Laserstrahlquellen hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Im Zuge dieser Arbeit kann ein Verfahren entwickelt werden, mit dem LNO Schichten in einem pyrometrisch überwachten und geregelten Prozess mit einem Dioden-Laser (Emissionswellenlänge: 980 nm) kristallisiert und elektrische Leitfähigkeiten von bis zu 291 S/cm erreicht werden. Die notwendige Prozesszeitkann dabei von mehreren Minuten (Stand der Technik) auf wenige Sekundenreduziert werden. Als Schlüssel für diese Entwicklung kann die Zusammensetzung der verwendeten Funktionstinte sowie die vorherrschende Gasatmosphäre während der thermischen Prozessierung identifiziert werden. Diese Entwicklung eröffnet vielfältige Möglichkeiten für neue Anwendungen von LNO.

As the technological challenges of our globalized world grow, so does the need for highly specialized functional materials that play a key role in future technologies such as microelectronics, quantum technology and fusion technology. In the course of this development, great progress has been made in recent years by exploring new material classes such as perovskites. These are mostly oxide ceramics with the stoichiometry ABO3, where A and B represent different metal ions. Lanthanum nickel oxide, or LNO for short (LaNiO3), also belongs to this class of materials and exhibits a high electrical conductivity at room temperature. This property, rather exotic in ceramics, makes LNO a potential candidate in many technical applications, for example as an electrode in micro electro mechanical systems (MEMS), as a seed layer for the growth of piezoceramic films, or as a functional material in oxygen sensors. LNO has been studied for several decades because of its special physical properties. The production of thin LNO layers, as required in most applications, is done in a chemical solution deposition process and requires a thermal step to crystallize the layers. This is usually performed using an oven or heating elements and requires several minutes to hours. The overall objective of this work is to develop a laser-based process for the production of crystalline LNO layers with high electrical conductivity. In this context, it is also necessary to develop adapted functional inks that meet the requirements of a laser-based process. To achieve these goals, various functional inks are first investigated and characterized regarding their suitability in a laser-based process. Subsequently, the factors influencing the crystallization process of thin LNO layers are quantified and suitable conditions for a laser-based process are derived. Based on these experiments, different laser beam sources are investigated with respect to their suitability. In the course of this work, a method is developed with which LNO layers can be crystallized in a pyrometrically monitored and controlled process using a diode laser (emission wavelength: 980 nm) and electrical conductivities of up to291 S/cm can be achieved. The necessary processing time can be reduced from several minutes (state of the art) to a few seconds. The key to this development is the composition of the functional ink used and the prevailing gas atmosphere during thermal processing. This development opens up a wide range of possibilities for new applications for LNO.

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