TY - THES A1 - Klocek Jolanta, T1 - Processing and investigation of thin films with incorporated carbon species for possible application as low-k materials T1 - Herstellung und Untersuchung von dünnen kohlenstoffhaltigen Filmen und ihre mögliche Anwendung als Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante N2 - In this thesis the detailed investigations concerning processing and stability of thin films including carbon species and their possible application as materials of a low dielectric constant (low k) are presented. In order to gather a complex information regarding the chemical, morphological and dielectric properties of the produced layer a combination of the spectroscopy: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), microscopy: atomic force microscopy (AFM) and electrical characterization: capacitance-voltage technique (CV) have been applied. The films deposited by means of variety of techniques have been described, ranging from evaporation, through spraying and dropping to spin-coating. Regarding the possible low-k application, a considerable attention has been paid to the hybrid organic-inorganic 3-aminopropyl-trimethoxysilane (APTMS) based composite materials enriched with carbon species coming from the following dopants: C60 fullerenes, [6,6]-phenyl-C61-butyric acid (PCBM), copper phthalocyanine (CuPc), and tris(dimethylvinylsilyloxy)-POSS (POSS). In the following thesis progressive steps leading to gradual decreasing of the resulting permittivity of the hybrid material is presented. As revealed by the performed investigations, the replacement of C60 within the APTMS based matrix by its better soluble derivative PCBM allows the increase of the concentration of the carbon species within the composite films. The introduction of POSS as an additional dopant gave the opportunity of increasing the resistance of the produced material against the ambient influence. With the excess of the POSS concentration an original fractal-shaped cluster formation has been observed. Finally, the dispersion of the properly chosen low concentration of CuPc and POSS molecules within the APTMS based matrix led to the fabrication of homogenous layer with an ultra-low dielectric constant of 1.8. N2 - In dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen zur Herstellung und Stabilität von dünnen kohlenstoffhaltigen Filmen und ihre mögliche Anwendung als Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (low k) präsentiert. Um komplexe Informationen über die chemischen, morphologischen und dielektrischen Eigenschaften der erzeugten Schichten zu erhalten, wurde eine Kombination verschiedener Methoden angewendet. Dabei kamen spektroskopische (Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie: XPS, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie: NEXAFS und Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie: FTIR), mikroskopische (Rasterkraftmikroskopie: AFM) und elektrische (Kapazitäts-Spannungs-Messungen: CV) Charakterisierungsmethoden zum Einsatz. Die Filme wurden mit verschiedenen Techniken aufgetragen: Verdampfung, Sprüh- und Tropfverfahren sowie Spin Coating. Bezüglich der möglichen low-k-Anwendung wurden hybride organisch-anorganische kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoffe untersucht. Die Filme basieren auf 3-Aminopropyltrimethoxysilan (APTMS), das mit den folgenden Dotierungen angereichert wurde: C60 Fulleren, Phenyl-C61-Buttersäure-methylester (PCBM), Kupfer-Phthalocyanin (CuPc) und Tris (dimethylvinylsilyloxy)-POSS (POSS). Die vorliegende Dissertation stellt progressive Optimierungsschritte dar, mit denen eine allmähliche Verringerung der resultierenden Dielektrizitätskonstante des Hybrid-Materials erreicht wurde. Wie die durchgeführten Untersuchungen zeigen, erlaubt die Substitution von C60 in der APTMS Matrix durch sein besser lösliches Derivat PCBM die Erhöhung der Konzentration der Kohlenstoffspezies innerhalb der Schichten. Die Einführung von POSS als zusätzliche Dotierung führte zu einer Erhöhung der Resistenz des produzierten Materials gegen Umgebungseinflüsse. Jedoch wurden dabei ab bestimmten POSS-Konzentrationen (im Bereich von 0.3 %) Überladungen der Matrix mit dem Dotierstoff festgestellt, was sich in der Bildung fraktaler Strukturen widerspiegelte. Letztendlich erzielte die Kombination relativ niedriger Konzentration von CuPc und POSS-Molekülen (im Bereich von 0.1 %), die innerhalb der APTMS Matrix dispergiert wurden, die besten Ergebnisse und es konnten homogene Schichten mit einer ultra-niedrigen Dielektrizitätskonstante von 1.8 hergestellt werden. KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie KW - Rasterkraftmikroskopie KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie KW - Kapazität-Spannungs-Charakteristik KW - 3-Aminopropyltrimethoxysilan KW - Low-k-Materialien KW - Rasterkraftmikroskopie KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - Capacitance–voltage characterization KW - 3-Aminopropyltrimethoxysilane KW - Low-k materials KW - Atomic force microscopy Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-24358 ER - TY - THES A1 - Das, Chittaranjan T1 - Spectroscopic and electrochemical study of TiO₂/Si photocathode T1 - Spektroskopische und elektrochemische Untersuchungen an TiO₂/Si-Photokathoden N2 - Diese Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Atomlagenabscheidung (ALD) dünner 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 Stabilität 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 Röntgen-Spektroskopietechniken wurden benutzt, um die abgeschiedenen Schichten zu charakterisieren. Die Qualität der Schichten wurde dabei mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) beurteilt, wobei die Stöchiometrie, das Ti³⁺/Ti⁴⁺-Verhältnis sowie Defektzustände 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. Röntgen- Absorptionsspektroskopie (XAS) und resonante Photoelektronenspektroskopie (res-PES) wurden mit Synchrotronstrahlung durchgeführt. 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 durchgeführt, um Auger-Prozesse mit multiplen Loch-Endzuständen sowie polaronische und Ladungstransferzustände zu untersuchen und um die elektronische Bandlücke 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 Ladungsneutralitätsniveaus (‚Charge neutrality levels‘) der verschiedenen TiO₂-Polymorphe zu ermitteln. Photoelektrochemische Messungen wurden an unbeschichteten und TiO₂-beschichteten Si- Photoelektroden durchgeführt. Dabei wurde die elektrochemische Performance der Photoelektroden in verschiedenen Elektrolytmedien mit pH-Werten zwischen 1 und 13 untersucht. Die Beschichtung der Si- Oberfläche mit einer dünnen TiO₂-Schicht verbesserte die Performance der Si-Photoelektrode, wobei die Stabilität der Elektrode in allen untersuchten Elektrolytmedien während der gesamten Messdauer von 12 Stunden erhöht wurde. Außerdem wurde festgestellt, dass die TiO₂/Si-Photoelektrode weniger empfindlich auf Änderungen des pH-Wertes reagiert. Die elektrochemischen Ergebnisse werden auf Basis der elektronischen Eigenschaften der TiO₂-Schichten diskutiert. Die durch die spektroskopischen Messungen bestimmte elektronische Bandlücke sowie die photoelektrochemischen Charakterisierungen werden zur Erklärung der Performance und Stabilität der TiO₂/Si-Photoelektroden herangezogen. Die Arbeit adressiert außerdem die Stabilität von mikrostrukturierten Photoelektroden (SiMP), die elektrochemisch präpariert wurden. Zunächst verschlechterte sich die Stabilität der SiMP schneller als bei der planaren Si-Photoelektrode. Jedoch führte die Nutzung einer TiO₂-ALD-Schutzschicht auf der SiMP zu einer besseren Gesamtperformance der SiMP auch im Vergleich zum System TiO₂/ planares Si. N2 - This thesis focuses on the deposition of thin TiO₂ films on p-type Si using atomic layer deposition (ALD) technique, on the study of the electronic proprieties of the grown films and on the electrochemical characterization of TiO₂/Si photoelectrodes. The deposition parameters, electronic properties and electrochemical performance and stability of the TiO₂/Si samples are correlated. The ALD technique is used to deposit TiO₂ with two different precursors namely Titanium isopropoxide and Titanium methoxide onto Si substrates. Laboratory as well as synchrotron based X-ray spectroscopy techniques are used to characterize these films. The growth quality of the TiO₂ ALD films is determined by analyzing X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS) data in terms of stoichiometry, defect states and Ti³⁺:Ti⁴⁺ ratios. The ALD technique was modified with different heating arrangements to obtain various polymorphs of TiO₂. The ALD and anatase TiO₂ films are characterized using synchrotron radiation to study their electronic properties and these films are compared with single crystal rutile TiO₂. X-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant photoelectron spectroscopy (res-PES) measurements are performed with synchrotron radiation. XAS measurements are used to determine the polymorphs as well as the electronic structure of TiO₂ Res-PES measurements are conducted at the O1s and Ti2p edges to study multiple hole Auger decay processes and polaronic and charge transfer states as well as to determine the electronic band gap of the TiO₂ layers. One of the main findings of this thesis is the determination of the partial density of states (pDOS) of O and Ti in the conduction and valence band. The combination of the pDOS and the band edge positions obtained from res-PES measurements are used to calculate the charge neutrality level of the TiO₂ polymorphs. The photoelectrochemical measurements are conducted on bare-Si and TiO₂/Si photoelectrodes. The electrochemical performance of these photoelectrodes is studied in electrolytes having pH values ranging from 1 to 13. The deposition of TiO₂ on Si enhances the photoelectrochemical performance of the Si photoelectrode. The TiO₂ increases the stability of the photoelectrode in all electrochemical media over 12 hours of experimental condition. Moreover, it is also observed that the TiO₂/Si photoelectrode is less responsive to the pH value of the electrolyte. The electrochemical findings are explained on the basis of the electronic properties of the TiO₂ layer. The electronic band gap obtained from spectroscopic measurement and the photoelectrochemical measurements are used to explain the performance and stability of the TiO₂/Si photoelectrodes. The thesis also addresses the stability of Si microstructured photoelectrodes (SiMPs) prepared by an electrochemical method. The stability of the SiMPs deteriorates more rapidly than that one of the planar Si photoelectrode. However, using a protective ALD TiO₂ layer on these SiMPs the overall performance is even more enhanced than on the TiO₂/planar Si system. KW - ALD KW - TiO2 KW - Photocathodes KW - XPS KW - XAS KW - Atomlagenabscheidung KW - Photokathode KW - Röntgenphotoelektronenspektroskopie KW - Röntgenabsorptionsspektroskopie KW - Atomlagenabscheidung KW - Photokathode KW - Röntgenabsorptionsspektroskopie KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36924 ER - TY - THES A1 - Karavaev, Konstantin T1 - In-situ Atomic Layer Deposition growth of Hf-oxide T1 - In-situ Atomlagenabscheidung von Hafniumoxid N2 - We have grown HfO2 on Si(001) by atomic layer deposition (ALD) using HfCl4, TEMAHf, TDMAHf and H2O as precursors. The early stages of the ALD were investigated with high-resolution photoelectron spectroscopy and x-ray absorption spectroscopy. We observed the changes occurring in the Si2p, O1s, Hf4f, Hf4d, and Cl2p (for HfCl4 experiment) core level lines after each ALD cycle up to the complete formation of two layers of HfO2. The investigation was carried out in-situ giving the possibility to determine the properties of the grown film after every ALD cycle or even after a half cycle. This work focused on the advantages of the in-situ approach in comparison to ex-situ experiments. The study provides to follow the evolution of the important properties of HfO2: contamination level, density and stoichiometry, and influence of the experimental parameters to the interface layer formation during ALD. Our investigation shows that the in-situ XPS approach for ALD gives much more information than ex-situ experiments. N2 - Die Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition: ALD) wurde benutzt, um HfO2 auf Si(001) abzuscheiden, wobei HfCl4, TEMAHf, TDMAHf und H2O als Prekursoren zum Einsatz kamen. Das frühe Wachstumsstadium der ALD-Schichten wurde mittels hochaufgelöster Photoelektronen- und Röntgenabsorptionsspektroskopie analysiert. Die Änderungen der Si2p-, O1s-, Hf4f-, Hf4d- und Cl2p- (für HfCl4-Prekursor) Rumpfniveaus nach jedem ALD-Zyklus bis zur vollständigen Bildung von zwei HfO2-Lagen wurden verfolgt. Die Untersuchungen erfolgten in-situ, was eine Charakterisierung nach jedem ALD-Zyklus oder auch nach jedem Halbzyklus ermöglichte. Diese Arbeit fokussiert auf die Vorteile des in situ-Ansatzes im Vergleich zu ex situ-Methoden. Diese Studie liefert Daten über wichtige Eigenschaften von HfO2 und deren Veränderungen während des Schichtwachstums. Dazu zählen Verunreinigungen, Dichte, Stöchiometrie sowie der Einfluss der experimentellen Parameter auf eine Grenzflächenschichtbildung während der ALD. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der in-situ-XPS-Ansatz deutlich mehr Informationen als ex-siut-Experimente liefert. KW - Atomlagenabscheidung KW - Atomlagenabscheidung KW - ALD KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie KW - XPS KW - HfO2 KW - Atomic layer deposition KW - ALD KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - XPS KW - HfO2 Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22617 ER -