@phdthesis{Mandal2008, author = {Mandal, Dipankar}, title = {Ultra-thin films of a ferroelectric copolymer: P(VDF-TrFE)}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5628}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2008}, abstract = {Spin-cast films of the ferroelectric copolymer P(VDF-TrFE) are attractive for various applications. For such films the question arises whether there exists a depending on film thickness of ferroelectric functionality. In this work, ultra-thin films of P(VDF-TrFE) up to 0.35nm of thickness have been successfully spin coated, which is quite promising in respect of low cost approach in the electronic industry. This thesis focuses on the preparation of the ultra-thin P(VDF-TrFE) copolymer film and its characterizations to find out a scientific guideline for the suitable application as a non-volatile memory element. Therefore, the ultra-thin film preparations have been investigated initially. Optimization of annealing parameters has been done to get the ferroelectric beta phase and thickness determination is also done carefully. The copolymer layer thickness could be determined down to about 0.35 nm. Photoelectron spectroscopy is used extensively for the characterization of the thin film. Eventually, longer time X-ray irradiation of the P(VDF-TrFE) sample may cause a phase change from ferroelectric to paraelectric. Therefore the X-ray irradiation time was also optimized. With photoelectron spectroscopy, the interface chemistry of the P(VDF-TrFE) copolymer and different electrode materials was studied. The interfaces aluminum/P(VDF-TrFE) and PEDOT:PSS/P(VDF-TrFE) are compared. PEDOT:PSS is a conducting polymer, Poly(3,4-ethylenedioxidethiophene): poly(styrenesulfonate). This data suggested that an interface layer is formed for electrodes, made of aluminum. An interface reaction occurs in both cases: for aluminum as top and as bottom electrode. In contract, the organic PEDOT:PSS electrode shows no chemical interaction with the P(VDF-TrFE) copolymer. The much lower reactivity of organic electrode, compare to aluminum, gives a direct hint to improved functional properties of thin organic ferroelectric films. In terms of a low cost approach for electronics, based on organic devices, the introduction of organic non volatile memories is of great importance. P(VDF-TrFE) copolymer is the material with a very hopeful perspective. In next part electrical measurements with P(VDF-TrFE) have been done. By capacitance voltage measurements, the ferroelectric behavior of the polymer by measurements at elevated temperatures (Curie-Point) is confirmed, a threshold for remanent poalrization for films below 100 nm is found, if aluminum electrodes are used, but with inert electrodes, a downscaling of a low coercitive field was possible down to ten nm. This is very important, because due to the high coercitive field of the copolymer (>50 MV/m), ultrathin films for low operation voltages are needed. A prerequisite for memory applications is a high retention time, this was also confirmed. By the help of Near edge X-ray Absorption Spectroscopy (NEXAFS) the possible ferroelectric dipole orientation have been also investigated. The average dipole orientation (perpendicular to the substrate) is observed up to 0.35 nm P(VDF-TrFE) copolymer films when PEDOT:PSS/Si substrate is used. The ferroelectric properties of ultrathin films down to a layer thickness of 10nm were characterized using spectroscopic (F1s NEXAFS) and electrical methods (Capacitance voltage). The results indicates an extrinsic switching mechanism with a much lower opera-tion voltage than for a collective intrinsic switching. Both independent methods agree that there is no critical thickness for spincoated copolymer films down to 10 nm, if an adapted system of electrodes is used.}, subject = {Grenzfl{\"a}chenchemie; Photoelektronenspektroskopie; Polymerfilm; Ultrad{\"u}nne Filme; Dipolorientierung; Nichtfl{\"u}chtige Speicher; P(VDF/TrFE) Copolymer; Ultra-thin film; Dipole orientation; Non volatile memory application; P(VDF/TrFE) copolymer}, language = {en} } @phdthesis{FelixDuarte2016, author = {Felix Duarte, Roberto}, title = {Analysis and optimization of interfaces in "wide-gap" chalcopyrite-based thin film solar cell devices}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-37402}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2016}, abstract = {The chemical and electronic structure of chalcopyrite absorbers with different bulk band gap energies, Egbulk, [i.e., low-gap Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe, Egbulk ~ 1.2 eV) and wide-gap CuInS2 (CIS, Egbulk ~ 1.5 eV)] and of buffer/absorber heterointerfaces based on these materials are studied with soft and hard x-ray spectroscopy techniques. Mechanisms that benefit (limit) the performance of low(wide)-gap chalcopyrite-based solar cells are identified. This knowledge is used to develop surface tailoring treatments to optimize buffer/absorber heterointerfaces based on wide-gap chalcopyrites and improve the performance of their solar cells. Photoemission spectroscopy (PES) characterization of the two absorbers (i.e., CIGSe and CIS) reveal compositional-depth profiles. The changes detected in CIGSe include: a near surface Ga-depletion, a strongly Cu-poor surface and a strong presence of surface Na that (likely) occupies Cu vacancies. A similar Cu-deficiency is found in CIS. The depth-composition changes result in significant widening of the band gap at the surface, Egsurf, (i.e., CIGSe, Egsurf: 1.70 ± 0.2 eV and CIS, Egsurf: 1.88 ± 0.2 eV) as evident by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) and inverse photoemission spectroscopy (IPES) measurements. Differences in the interaction of the CIGSe and CIS surfaces with deposited buffer materials are identified. PES and modified Auger parameter studies reveal strong intermixing at the CdS/CIGSe and ZnS/CIGSe heterointerfaces. S L2,3 x-ray emission spectroscopy (XES) measurements of CIGSe substrates submitted to CdS chemical bath deposition (CBD-CdS) treatments show the formation of In2S3 and defect-rich/nanostructured CdS at the interface, compounds with higher band gap values than the measured Egsurf for CIGSe. S L2,3 XES spectra of CIGSe substrates submitted to CBD-ZnS treatments reveal the formation of (Zn,In)(S,Se)2 chemical analogs at the interface. PES and XES measurement series show that the CdS/CIS heterointerface is more abrupt, with no detected interface chemical species. Direct measurement of the band alignment of these heterointerfaces reveals: an ideal conduction band offset (CBO) configuration for CdS/CIGSe (i.e., CBO: +0.11 ± 0.25 eV), a spike CBO configuration for ZnS/CIGSe (i.e., CBO: +1.06 ± 0.4 eV), and a highly unfavorable cliff CBO configuration for CdS/CIS (i.e., CBO: -0.42 ± 0.25 eV). The performance of solar cell devices based on these heterointerfaces is correlated to their CBO configuration. Two surface tailoring approaches intended to correct the CBO configuration of the CdS/CIS heterointerface are presented. One method is based on rapid thermal processing (RTP) selenization treatments of CIS absorbers, aiming to exchange Se for S in treated samples. The idea behind this approach is to modify the surface of a wide-gap chalcopyrite so that it forms a more favorable heterointerface with CdS, such as heterointerfaces within low-gap chalcopyrite devices. X-ray fluorescence analysis and PES measurements of RTP-treated CIS samples show a greater treatment effect at the surface of the sample compared to the bulk (i.e., surface [Se]/[S+Se] range: 0.23 ± 0.05 to 0.83 ± 0.05, compared to bulk [Se]/[S+Se] range: 0.01 ± 0.03 to 0.24 ± 0.03). Tuning of the Cu:In:(S+Se) surface composition from a Cu-poor 1:3:5 to a 1:1:2 stoichiometry is observed in RTP-treated CIS samples with lower to higher surface Se contents, respectively. UPS measurements show a shift in valence band maximum toward the Fermi level in samples with higher surface Se content (i.e., -0.88 ± 0.1 to -0.51 ± 0.1 eV), as expected for a reduction in Egsurf due to exchange of Se for S. Ultraviolet-visible spectrophotometry reveals a reduction in the optical band gap of samples with greater Se incorporation (i.e., from 1.47 ± 0.05 to 1.08 ± 0.05 eV), allowing for a working window for optimization purposes. The second tailoring method involves surface functionalization of CIS absorbers with dipole-charge-inducing self-assembled monolayers (SAM) of benzoic acid derivatives and thiol molecules. The introduction of dipole charges between a heterointerface can tune the relative alignment of the electronic bands composing its electronic structure; thus, use of a suitable dipole-inducing SAM could correct the CBO misalignment in the CdS/CIS heterointerface. UPS measurements of the secondary electron cut-off region of CIS samples treated with a selected set of SAMs show a work function modulation of CIS (i.e., 4.4 ± 0.2 eV - 5.2 ± 0.2 eV). Small gains in solar cell parameters of solar cells based on SAM-modified heterointerfaces are measured. An overview of the performance of chalcopyrite(kesterite)-based solar cells in relation to the electronic properties of their corresponding buffer/absorber heterointerface suggests that optimization approaches extending beyond the buffer/absorber heterointerface may be needed for further performance gains in wide-gap chalcopyrite-based solar cell devices.}, subject = {Photovoltaics; Thin Film Solar Cells; Chalcopyrite absorbers; Solid-state Physics; Photovoltaik; R{\"o}ntgenspektroskopie; D{\"u}nnschichtsolarzelle; Chalkopyrit-Absorbermaterialien; Festk{\"o}rperphysik; X-ray spectroscopy; Kupferkies; D{\"u}nnschichtsolarzelle; Festk{\"o}rperphysik; Fotovoltaik}, language = {en} } @phdthesis{Das2015, author = {Das, Chittaranjan}, title = {Spectroscopic and electrochemical study of TiO₂/Si photocathode}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36924}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2015}, abstract = {Diese Dissertationsschrift besch{\"a}ftigt sich mit der Atomlagenabscheidung (ALD) d{\"u}nner TiO₂-Schichten auf p-Typ Silizium, untersucht die elektronischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten und beschreibt die elektrochemische Charakterisierung von TiO₂/Si-Photoelektroden. Die Abscheidungsparameter, die elektronischen Eigenschaften und die Stabilit{\"a}t der TiO₂/Si-Proben werden miteinander korreliert. Mittels der ALD-Technik wurden TiO₂-Schichten mit zwei verschiedenen Prekursoren (Titan- Isopropoxid und Titan-Methoxid) auf Si-Substraten abgeschieden. Labor- und Synchrotron basierte R{\"o}ntgen-Spektroskopietechniken wurden benutzt, um die abgeschiedenen Schichten zu charakterisieren. Die Qualit{\"a}t der Schichten wurde dabei mittels R{\"o}ntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) beurteilt, wobei die St{\"o}chiometrie, das Ti³⁺/Ti⁴⁺-Verh{\"a}ltnis sowie Defektzust{\"a}nde in den TiO₂-Filmen Kriterien darstellten. Um verschiedene Polymorphe von TiO₂ zu erhalten, wurde die Heizmethode der Schichten innerhalb der ALD-Prozedur variiert. Die elektronischen Eigenschaften amorpher und Anatas-TiO₂-Schichten wurden mittels Synchrotronstrahlung bestimmt und mit denen eines TiO₂-Rutil-Einkristalls verglichen. R{\"o}ntgen- Absorptionsspektroskopie (XAS) und resonante Photoelektronenspektroskopie (res-PES) wurden mit Synchrotronstrahlung durchgef{\"u}hrt. Dabei diente die XAS der Bestimmung der Art des Polymorphen und der elektronischen Struktur der TiO₂-Schichten. Res-PES-Messungen wurden an den O1s- und Ti2p- Kanten durchgef{\"u}hrt, um Auger-Prozesse mit multiplen Loch-Endzust{\"a}nden sowie polaronische und Ladungstransferzust{\"a}nde zu untersuchen und um die elektronische Bandl{\"u}cke der TiO₂-Schichten zu bestimmen. Eines der Hauptergebnisse dieser Arbeit stellt die Bestimmung der partiellen Zustandsdichten (pDOS) von Sauerstoff und Titan im Valenz- und Leitungsband dar. In der Analyse der res-PES-Daten wurde die pDOS mit den entsprechenden Bandkantenpositionen kombiniert, um die energetische Lage der Ladungsneutralit{\"a}tsniveaus (‚Charge neutrality levels') der verschiedenen TiO₂-Polymorphe zu ermitteln. Photoelektrochemische Messungen wurden an unbeschichteten und TiO₂-beschichteten Si- Photoelektroden durchgef{\"u}hrt. Dabei wurde die elektrochemische Performance der Photoelektroden in verschiedenen Elektrolytmedien mit pH-Werten zwischen 1 und 13 untersucht. Die Beschichtung der Si- Oberfl{\"a}che mit einer d{\"u}nnen TiO₂-Schicht verbesserte die Performance der Si-Photoelektrode, wobei die Stabilit{\"a}t der Elektrode in allen untersuchten Elektrolytmedien w{\"a}hrend der gesamten Messdauer von 12 Stunden erh{\"o}ht wurde. Außerdem wurde festgestellt, dass die TiO₂/Si-Photoelektrode weniger empfindlich auf {\"A}nderungen des pH-Wertes reagiert. Die elektrochemischen Ergebnisse werden auf Basis der elektronischen Eigenschaften der TiO₂-Schichten diskutiert. Die durch die spektroskopischen Messungen bestimmte elektronische Bandl{\"u}cke sowie die photoelektrochemischen Charakterisierungen werden zur Erkl{\"a}rung der Performance und Stabilit{\"a}t der TiO₂/Si-Photoelektroden herangezogen. Die Arbeit adressiert außerdem die Stabilit{\"a}t von mikrostrukturierten Photoelektroden (SiMP), die elektrochemisch pr{\"a}pariert wurden. Zun{\"a}chst verschlechterte sich die Stabilit{\"a}t der SiMP schneller als bei der planaren Si-Photoelektrode. Jedoch f{\"u}hrte die Nutzung einer TiO₂-ALD-Schutzschicht auf der SiMP zu einer besseren Gesamtperformance der SiMP auch im Vergleich zum System TiO₂/ planares Si.}, subject = {ALD; TiO2; Photocathodes; XPS; XAS; Atomlagenabscheidung; Photokathode; R{\"o}ntgenphotoelektronenspektroskopie; R{\"o}ntgenabsorptionsspektroskopie; Atomlagenabscheidung; Photokathode; R{\"o}ntgenabsorptionsspektroskopie; R{\"o}ntgen-Photoelektronenspektroskopie}, language = {en} } @phdthesis{Hartmann2018, author = {Hartmann, Claudia}, title = {Surface and interface characterization of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ and CsSnBr₃ perovskite based thin-film solar cell structures}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46358}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2018}, abstract = {The chemical and electronic structure of hybrid organometallic (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) and inorganic (CsSnBr₃) perovskite materials on compact TiO₂ (c-TiO₂) is studied using x-ray and electron based spectroscopic techniques. The morphology and local elemental composition of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, used as absorbers in PV devices, defining the film quality and influencing the performance of respective solar cells is studied in detail by using photoemission electron microscopy (PEEM). An incomplete coverage, with holes reaching down to the c-TiO₂ was revealed; three different topological regions with different degrees of coverage and chemical composition were identified. Depending on the degree of coverage a variation in I oxidation and the formation of Pb⁰ in the vicinity of the c-TiO₂ is found. The valence band maxima (VBM) derived from experimental data for the perovskite and c-TiO₂, combined with information from literature on spiro-MeOTAD suggests an energy level alignment resulting in an excellent charge selectivity at the absorber/spiro-MeOTAD and absorber/c-TiO₂ interfaces respectively. Further, the derived energy level alignment indicates a large recombination barrier (~2 eV), preventing shunts due to direct contact between c-TiO₂ and spiro-MeOTAD in the pin-holes. In-situ ambient pressure hard x-ray photoelectron spectroscopy (AP-HAXPES) studies of 60 and 300 nm CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ have been performed under varies conditions (i.e. vacuum/water and dark/UV light) to gain insight into the degradation mechanism responsible for the short lifetime of the absorber. The 60 nm perovskite forms Pb⁰ in water vapor (non-defined illumination) in presence of x-rays. The 300 nm perovskite sample shows a complex behavior under illumination/dark. In water vapor/dark the perovskite dissolves into its organic (MAI) and inorganic (PbI₂) components. Under illumination PbI₂ further decomposes to Pb⁰ induced by UV light and x-rays. For alternative inorganic CsSnBr₃ perovskites, the impact of SnF₂ on the chemical and electronic structure is studied to identify its role for the improved performance of the solar cell. HAXPES and lab-XPS measurements performed on CsSnBr₃ with and without SnF₂ indicate two Sn, Cs, and Br species in all samples, where the second Sn species is attributed to oxidized Sn (Sn⁴⁺). When adding SnF₂ to the precursor solution, the coverage is improved and less Sn⁴⁺ and Cs and Br secondary species can be observed, revealing an oxidation inhibiting effect of SnF₂. Additionally, SnF₂ impacts the electronic structure, enhancing the density of states close to the VBM.}, subject = {Perovskite; Photoelectron spectroscopy; Thin-film solar cell; Solid-state physics; Photovoltaics; Photovoltaik; Festk{\"o}rperphysik; D{\"u}nnschichtsolarzelle; Photoelektronenspektroskopie; Perowskite; Fotovoltaik; Halbleiter; D{\"u}nnschichtsolarzelle; Perowskit; Photoelektronenspektroskopie}, language = {en} } @phdthesis{Haeberle2016, author = {Haeberle, J{\"o}rg}, title = {Transparente leitf{\"a}hige Metalloxideinkristalle und amorphe oxidische D{\"u}nnschichtsysteme - Eine photoelektronenspektroskopische Vergleichsstudie}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40356}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2016}, abstract = {Die Materialklasse der transparenten leitenden Metalloxide (engl. transparent conducting oxides (TCO)) und amorphen oxidischen D{\"u}nnschichtsysteme (engl. amorphous oxidic semiconductors (AOS)) sind {\"u}beraus faszinierend, da sie gegens{\"a}tzliche physikalische Eigenschaften, wie Transparenz und hohe Leitf{\"a}higkeit in sich vereinen. Die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen sind immer noch unklar und werden in dieser Dissertation beleuchtet. Dazu wurde die resonante Photoelektronenspektroskopie (resPES)gew{\"a}hlt, da sie sich in den letzten Jahren als vielseitiges Werkzeug f{\"u}r die detaillierte Untersuchung der elektronischen Struktur und der Identifikation von Defekten ausgezeichnet hat. Im Rahmen dieser Arbeit ergab sie die einmalige M{\"o}glichkeit, sowohl hoch qualitative TCO-Einkristalle (ZnO, Ga2O3, In2O3 und SnO2) als auch amorphe oxidische D{\"u}nnschichtsysteme (GIZO und SnOx) photeelektronenspektroskopisch zu untersuchen und zu vergleichen. Somit wird gezeigt, dass die elektronische Struktur der Materialklasse der TCO und ihrer korrespondierenden AOS mehr Gemeinsamkeiten aufweisen, als bisher erwartet wurde. Es zeigt sich, dass die Bandl{\"u}cke, im eigentlichen Sinne, in der Materialklasse der TCO und AOS nicht existiert. Lokalisierte Zust{\"a}nde f{\"u}llen den gesamten Bereich dieser Bandl{\"u}cke aus und reichen zum Teil in das Valenzband (VB) und Leitungsband (CB) hinein. Dies f{\"u}hrt dazu, dass es keine, wie bisher gedacht, scharfen Grenzen zwischen lokalisierten und delokalisierten Zust{\"a}nden gibt. Um dies zu verdeutlichen wird ein neuartiges Modell eingef{\"u}hrt, das aufzeigt, dass die Wechselwirkung von metallischen d- und s-Niveaus in einer {\"O}ffnung der d-Schale resultiert. Durch Charge-Transfer (CT)-Mechanismen und weitere Hybridisierung mit metallischen unbesetzten p-Zust{\"a}nden folgt eine st{\"a}rkere Lokalisierung. Die Diskussion wird begonnen mit der Kl{\"a}rung der Elementeverh{\"a}ltnisse der untersuchten Materialsysteme. Darauf folgt die Charakterisierung von intrinsischen Defekten und ihren Beitr{\"a}gen auf die elektronische Struktur. Abschließend werden die elektronischen Strukturen der AOS mit denen der korrespondierenden TCO verglichen.}, subject = {Metalloxide; D{\"u}nnschichtsysteme; ResPES; Experimentelle partielle Zustandsdichte; Intrinsische Bandl{\"u}ckenzust{\"a}nde; TCO; AOS; ResPES; Experimental pDOS; Intrinsic gap states; Metalloxide; Photoelektronenspektroskopie; Elektronenstruktur; Zustandsdichte; Energiel{\"u}cke}, language = {de} } @phdthesis{Israel2016, author = {Israel, Johannes}, title = {Sabatierbasierte autothermale katalytische Rauchgasmethanisierung im Technikumsmaßstab und R{\"u}ckverstromung im BHKW}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41467}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2016}, abstract = {Es konnte gezeigt werden, dass die direkte Methanisierung des Kohlenstoffanteils aus Rauchgas auf Grundlage der Sabatier-Reaktion im Rahmen des Power-to-Gas Ansatzes unter realen Bedingungen im Technikumsmaßstab m{\"o}glich ist. Es wurde ein Durchsatz von knapp 235 kg/d CO2 bei einer Gesamtraumgeschwindigkeit der Eduktgase von ca. 1500 h-1, was einem Durchfluss von 45 Nm³/h bei einem Reaktorvolumen von 30 dm³ entspricht, erreicht. Dabei wurde das Kohlenstoffdioxid direkt, ohne weitere Aufarbeitung des Rauchgases, mit mindestens 60\% Umsatz katalytisch zu Methan reduziert. Daf{\"u}r wurde ein Katalysator auf Nickelbasis verwendet. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass f{\"u}r eine autotherme Betriebsweise der Methanisierung von Rauchgas der Sauerstoffanteil im Rauchgas eine notwendige Voraussetzung darstellt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass das vorliegende Intervall von 4 - 6 Vol \% Sauerstoffanteil im Rauchgas aus konventionellen Braunkohlekraftwerken genau in dem notwendigen Bereich liegt, der f{\"u}r eine ausgeglichene W{\"a}rmebilanz sorgt. Die bei der Wasserstoff-Sauerstoffreaktion zus{\"a}tzlich frei werdende W{\"a}rme gleicht den k{\"u}hlenden Effekt des mitgetragenen Stickstoffes genau aus, wodurch die f{\"u}r die Sabatier-Reaktion ben{\"o}tigte Temperatur von mindestens 300 °C aufrechterhalten werden kann. Ohne den Sauerstoff k{\"o}nnte die Methanisierung nicht autotherm betrieben werden. Zudem ist die Reaktion selbstregulierend, die Reaktionstemperatur l{\"a}uft auf einen oberen Grenzwert von etwa 600 °C hinaus, wodurch Ums{\"a}tze von 60\% nicht unterschritten werden. Bei niedrigeren Temperaturen von ca. 400 °C konnten auch Ergebnisse von {\"u}ber 90\% CO2 Umsatz im Rauchgas erreicht werden. Diese Ergebnisse konnten sowohl unter Laborbedingungen, d.h. mit aus technischen Gasen synthetisch hergestelltem Rauchgas, gemessen werden, als auch mit realem Rauchgas direkt am Kraftwerk vor Ort reproduziert werden. Das bei der Rauchgasmethanisierung entstehende Produktgas weist eine Energiedichte von ca. 5 MJ/Nm³ auf, womit es zu den Schwachgasen gez{\"a}hlt wird. Hier konnte der Nachweis erbracht werden, dass eine Nutzung des Produktgases in einem R{\"u}ckverstromungskonzept mittels eines dezentralen Blockheizkraftwerkes, welches mit einem herk{\"o}mmlichen Wankelmotor betrieben wird, m{\"o}glich ist. Das "Proof of Principle" f{\"u}r einen geschlossenen CO2 Kreislauf unter realen Bedingungen mittels der Sabatier Reaktion wurde somit erbracht und l{\"a}dt dazu ein, diesen Weg weiter zu verfolgen.}, subject = {Sabatier; Methanisierung; Energiespeicher; Rauchgas; Kohlendioxid; Blockheizkraftwerk; Wasserstoff; BHKW; CCU; CHP; Energy storage; Carbon dioxid; Methanation; Flue gas; Sabatier; Hydrogen; CCU; Power-to-Gas; Combines heat and power plant; Rauchgasreinigung; Kohlendioxidemission; Methanisierung; Blockheizkraftwerk}, language = {de} } @phdthesis{Kutukova2023, author = {Kutukova, Kristina}, title = {In-situ study of crack propagation in patterned structures of microchips using X-ray microscopy}, doi = {10.26127/BTUOpen-6256}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62567}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2023}, abstract = {The motivation of this thesis was to control crack steering into regions of engineered 3D-nanopatterned structures with high fracture toughness and to determine the local critical energy release rate for crack propagation in 3D-nanopatterned systems. On-chip copper interconnect structures of advanced microchips, insulated by organosilicate glasses, were chosen as an example system to study fracture on small scale, since this is a well-defined 3D- nanopatterned system and since a high mechanical robustness is requested for microchips. An experiment for in-situ high-resolution 3D imaging of the fracture behavior of 3D-nanopatterned structures and of the kinetics of microcrack propagation in solids was designed and applied, combining a miniaturized micromechanical test and high-resolution X-ray imaging. Particularly, a miniaturized piezo-driven double cantilever beam test set-up (micro- DCB) was integrated in a laboratory X-ray microscope, and nano X-ray computed tomography was applied for high-resolution 3D imaging of the microcrack evolution in the on-chip interconnect stack of microchips manufactured in the 14 nm technology node. The measured geometry of the microcrack at several loading steps during the micro-DCB test and the subsequent data analysis based on linear elastic fracture mechanics and the Euler-Bernoulli beam model were the basis for the development and application of a new methodology to determine the critical energy release rate for crack propagation in sub- 100 nm regions of a processed wafer quantitatively. It was experimentally proven that specially designed metallic guard ring structures at the rim of the microchips dissipate energy in such a way that the microcrack propagation is efficiently slowed down and eventually stopped, i.e. they are effective to prevent mechanical damage of microchips. It was demonstrated that it is possible to steer the microcrack in a controlled way by tuning the fracture mode mixity locally at the crack tip. The established concept for a controlled crack propagation provides the basis for further fundamental studies of the fracture behavior of nanoscale materials and structures. The results have significant effects for the understanding of fracture mechanics at small scales, e.g. in microchips, but also in other nanopatterned materials, e.g. in bio-inspired, hierarchically structured engineered materials. The experimental results gathered at realistic microelectronic products provide valuable information to control the crack path in on-chip interconnect stacks for design-for-reliability in semiconductor industry and to manufacture mechanically robust microchips in leading-edge technology nodes. The experimental study of controlled microcrack steering into regions with high fracture toughness provides knowledge for the design of guard ring structures in microchips to stop the propagation of microcracks, e.g. generated during the wafer dicing process.}, subject = {R{\"o}ntgenmikroskopie; In-situ-Rissausbreitung; On-Chip-Interconnect-Stacks; Bruchmechanik; Schutzringstrukturen; X-ray microscopy; In-situ crack propagation; On-chip interconnect stacks; Fracture mechanics; Guard ring structures; Rissausbreitung; Mikroriss; Bruchverhalten; Bruchmechanik; Nanostrukturiertes Material; Chip; R{\"o}ntgenmikroskopie}, language = {en} } @phdthesis{Rachow2017, author = {Rachow, Fabian}, title = {Prozessoptimierung f{\"u}r die Methanisierung von CO₂ - vom Labor zum Technikum}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42625}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2017}, abstract = {In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine direkte Methanisierung von CO₂, die {\"u}ber die Sabatier-Gleichung, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, beschrieben wird, im Labor- und im Technikums-Maßstab unter Variation verschiedenster Bedingungen realisierbar ist. Die Sabatier-Reaktion findet beschleunigt unter dem Einsatz von Katalysatoren statt. Unterschiedliche kommerzielle Katalysatoren auf Nickel und Ruthenium-Basis konnten auf ihrer Eignung f{\"u}r die Methanisierung untersucht werden und mit im Labor pr{\"a}parierte Katalysatoren verglichen werden. Relevante Gr{\"o}ßen zur Beschreibung der Aktivit{\"a}t der Katalysatoren ist der Umsatz an CO₂, die Ausbeute an CH₄ und die Selektivit{\"a}t bez{\"u}glich der Sabatier-Reaktion. Im Labor wurden Ums{\"a}tze und Ausbeuten von {\"u}ber 90\% und Selektivit{\"a}ten von nahezu 100\% gemessen. Durch eine {\"A}nderung der Temperatur, der Eingangsmenge an Gasen, der Katalysatormenge und des Druckes k{\"o}nnen die optimalen Prozessbedingungen f{\"u}r die Reaktion spezifiziert werden. Eine weitere Betrachtung galt der Messung mit synthetischen und realen Abgasen (Oxyfuel, CCS) und darauf bezogen, der Einfluss einer Verd{\"u}nnung des CO₂ durch Stickstoff und Sauerstoff und der Rolle von bekannten Katalysatorgiften wie Schwefel- oder Stickoxiden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der St{\"a}rke der Verunreinigung an Schwefel, der Reaktortemperatur und der Abnahme der katalytischen Aktivit{\"a}t ermittelt werden. Die Produktion von Kohlenmonoxid gibt zus{\"a}tzlich Aufschluss {\"u}ber stattfinden Teil-und Nebenreaktionen. Ergebnisse in der Laboranlage konnten zum Teil f{\"u}r den Aufbau einer Technikumsanlage, welche eine Vergr{\"o}ßerung zum Labor um den Faktor 5000 darstellt, genutzt werden. Eine Zahl von Experimenten wurde im Technikum wiederholt. Die Technikumsanlage ist dabei in der Lage ca. 250 kg CO₂ pro Tag aus CO₂-haltigen Abgasen in Methan umzuwandeln. Ein erweiterter Praxisbezug stellte die Einbindung des Technikums in einem Kraftwerk dar und die Messung mit realem Rauchgas. Ohne zus{\"a}tzliche Reinigungsschritte des Abgases konnten auch hier Ums{\"a}tze von 90\% erreicht werden. Eine komplexe Temperaturentwicklung und Erh{\"o}hung auf 600°C im Reaktor wurde aufgezeichnet und f{\"u}hrt dabei zur Abnahme des Umsatzes auf ca. 60\%. Bei diesen Temperaturen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen, durch die exotherme Reaktion, erzeugter und abgef{\"u}hrter W{\"a}rme ein. Als Reaktionsprodukt wird ein Schwachgas erhalten, welches f{\"u}r die R{\"u}ckverstromung eingesetzt werden kann. In der Methanisierung von CO₂ besteht die M{\"o}glichkeit das CO₂ in einen Kreislauf (Power-to-Gas) zu binden und so die Emission von Treibhausgasen zu mindern. Das erzeugte Methan fungiert als chemischer Energiespeicher und tr{\"a}gt zur Stabilisierung des Stromnetzes bei.}, subject = {Katalyse; Methanisierung; Energiespeicher; Erneuerbare Energien; CO2-Nutzung; Catalysis; Methanation; Energy storage; Renewable energy; Carbon capture and storage (CCS); Methanisierung; Katalysator; Carbon dioxide capture and utilization; Energiespeicher; Power-to-Gas}, language = {de} } @phdthesis{Niese2014, author = {Niese, Sven}, title = {Lab-based in-situ X-ray microscopy - methodical developments and applications in materials science and microelectronics}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35665}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2014}, abstract = {The method of microscopic imaging using X-rays and diffractive lenses was developed at synchrotron radiation facilities and it was recently transferred to systems with laboratory X-ray sources. The first part of this thesis focuses on instrumentation, in particular on the fabrication, characterization, and application of multilayer Laue lenses (MLL). The second part describes a micromechanical in-situ test that is used to study crack propagation with X-ray microscopy in microchips in a dedicated fracture mechanics experiment called micro double cantilever beam test (MicroDCB). MLLs were fabricated from WSi2/Si multilayer coatings using mechanical preparation and focused ion beam milling. Initial characterization of the obtained lenses using scanning electron microscopy and X-ray microscopy was used to evaluate the quality of the multilayer stack and particularly to identify geometrical imperfections of individual lens elements. Crossed partial MLLs were assembled as a compact lens device for two-dimensional operation, i.e. point focusing of synchrotron radiation or full-field transmission imaging. The optical properties were simulated using a geometrical optics approximation and a physical optics model. Experimental results verify full-field imaging using crossed partial MLLs with a focal length of 8.0 mm for Cu-Ka radiation in a laboratory X-ray microscope. Sub-100 nm resolution is shown and remaining aberrations are discussed. So-called wedged MLLs employ dynamic diffraction to increase the diffraction efficiency. A fabrication process is presented that allows a subsequent geometrical modification of the lens element using a stress layer. Thus, the wedged geometry is realized independently of the multilayer coating. The resulting layer tilt is measured using a laboratory X-ray microscope. First investigations of such wedged MLLs with synchrotron radiation at a photon energy E=15.25 keV show an enhancement of the diffraction efficiency of 57 \% in comparison to a tilted MLL with the same dimensions. The long working distance of the X-ray microscope facilitates the integration of customized equipment to perform in-situ experiments. The MicroDCB tester was designed and built to drive a crack in an appropriately prepared specimen. It is compatible with the X-ray microscope and it allows tomographic studies under load. In particular, the method was applied to investigate crack propagation in the on-chip interconnect stack of advanced microelectronics products. Stable crack propagation at this location was achieved. Subsequent tomographies were acquired at several load steps. The reconstructed datasets show no critical distortions. This test is assumed to provide valuable information about crack propagation such heterogeneous structures, what is of interest to address reliability issues.}, subject = {X-ray microscopy; Diffractive X-ray lens; Double cantilever beam test; R{\"o}ntgenmikroskopie; Diffraktive R{\"o}ntgenlinse; R{\"o}ntgenlinse; Rissausbreitung; R{\"o}ntgenmikroskopie}, language = {en} } @phdthesis{Michling2013, author = {Michling, Marcel Frank}, title = {Spektroskopische Untersuchungen an organischen Materialien und Metalloxiden}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29014}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2013}, abstract = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit Synchrotron-basierenden, optischen und Elektronen-basierenden Methoden die elektronischen Eigenschaften zweier unterschiedlicher Materialklassen untersucht. Der Fokus lag dabei im besonderen auf der Bestimmung der Größe der Bandl{\"u}cke/HOMO-LUMO-L{\"u}cke und ihre Abhängigkeit der verwendeten Methode. Die zwei unterschiedliche Materialklassen, welche untersucht wurden sind folgende: Erstens die organischen Systeme Cobalt-Phthalocyanin und Fulleren. An Ihnen wird der Einfluss der verwendeten Messmethoden aufgezeigt und die sich draus ergebenen HOMO- LUMO-L{\"u}cken (elektronisch, Volumen, Oberfläche, optisch) diskutiert. Es zeigt sich, dass die optische Methode (Ellipsometrie) generell den kleinsten Wert und die elektronischen Methoden (XPS, XAS) den größten Wert ergeben. Die Gr{\"u}nde daf{\"u}r werden ausf{\"u}hrlich diskutiert. Durch die Kombination von XPS- , XAS- und Ellipsometrie-Messungen war es möglich die Orientierung der aufgedampften CoPc-Molek{\"u}le auf den SiO2-Substrat zu bestimmen. Zweitens wurden die Metalloxide HfO2, Al2O3, In2O3 und Ga2O3 aufgrund ihrer großen technologischen Bedeutung untersucht. Mit Hilfe von ALD Zyklus-f{\"u}r-Zyklus Experimenten konnten die elektronischen Eigenschaften von HfO2 in Abhängigkeit der ALD- Zyklenzahl und das Wachstum von HfO2 in den ersten Zyklen studiert werden. Auf Basis der XPS- und EELS-Ergebnisse wurde ein Wachstumsmodell entwickelt. Es wird ebenfalls der Einfluss einer Dipolschicht an der Grenzfläche HfO2/SiO2 auf die Größe der Bandl{\"u}cke in den EELS-Messungen diskutiert. Mittels resonanten Photoemission wurde ein neuer Auger-Mechanismus (3-Loch-Auger-Prozess) in den Oxiden gefunden. Dieser hat seine Ursache in Defekten. Defekte f{\"u}hren auch zu einer Fano-Anti-Resonanz, welche an der O1s-Absorptions-Kante beobachtet und diskutiert wird.}, subject = {Spektroskopie; Metalloxide; Spektroskopie; Organik; Metalloxide; Bandl{\"u}cke; 3h-Auger; Spectroscopy; Organics; Metal oxides; Band gap; 3h-Auger}, language = {de} } @phdthesis{Rouissi2017, author = {Rouissi, Zied}, title = {Role of substrates morphology and chemistry in ALD HfO₂ on Si(111)-H terminated surfaces as model}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42418}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2017}, abstract = {This work presents an approach to investigate fundamental aspects concerning the early stage of the atomic layer deposition (ALD) growth process on stepped surfaces. The first interaction between precursors and surface is strongly important for the ALD growth that it is still far away from the status to be completely understood. For this purpose, a few ALD-cycles withtetrakis(dimethylamido)hafnium (TDMAH) and trimethylaluminum (TMA) as metallic precursors and water (H₂O) as oxidant has been performed in order to study the initial metal oxide film growth on stepped surfaces such as silicon Si(111)-H terminated, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and silver deposited HOPG (Ag-HOPG). These investigations have been carried out at various substrate temperatures, where scanning tunneling microscopy (STM) has been used systematically to probe the ALD features. This technique is delivering unique knowledge about the locality and the density of nucleation's sites on the different substrates. The data collected are then subjected to a mathematical model to understand the growth and to determine the effect of the surface morphology and chemistry on the behavior of the nucleation. The in-situ cycle-by-cycle STM investigation of 4 initial ALD cycles of TDMAH and H₂O on Si(111)-H terminated at room temperature (RT) and at 280°C displays two regimes of growth: In Regime I (1st - 2nd cycle) an increase in roughness in the first cycle to 0.2nm and 0.34nm respectively for RT and 280°C with a partial surface coverage of 71\% and 54\% is observed. In the 2nd cycle, the coverage increased to ~98\% and 94\% maintaining the same film height of the 1st cycle. A complete layer is formed in this regime. The results are discussed in reference to the Puurunen model. Following this model, the determination of the reaction mechanism in relation to the number of Hf atoms/nm² attached to the surface reveals that two ligands exchanges occur at RT and one ligand exchange at 280°C in the first regime. In addition, the origin of the reaction saturation was determined to be caused by the steric hindrance effect. In this first regime, the growth model is governed by random deposition followed by Mullins diffusion as determined from the universal values found for the roughness dynamic exponents (α, β, 1/z) of the film.}, subject = {ALD; Stepped surface; Morphology; Growth statistics; STM; Gestufte Oberfl{\"a}che; Wachstumsstatistik; Morphologie; Rastertunnelmikroskopie (RTM); Halbleiteroberfl{\"a}che; Schichtwachstum; Atomlagenabscheidung; Rastertunnelmikroskopie}, language = {en} }