TY - THES A1 - Ratzke, Markus T1 - Kraftmikroskopie als Werkzeug zur Charakterisierung elektrischer Oberflächeneigenschaften T1 - Force microscopy as tool for the characterization of electrical surface properties N2 - Die stetig fortschreitende Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie macht es notwendig, Oberflächenparameter mit Auflösung im Nanometerbereich zu messen und auch abzubilden. Von größtem Interesse sind hierbei das Oberflächenpotential und die Kapazität der oberflächennahen Bereiche, da diese Aussagen über die elektronische Struktur erlauben. Hierbei muss großes Augenmerk auf die Möglichkeit der zerstörungsfreien und präparationsarmen Messung gelegt werden, da jede Behandlung der zu untersuchenden Materialien deren Oberflächeneigenschaften ändert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf der Atomkraftmikroskopie basierende Methoden sowohl experimentell als auch mit Hilfe von Simulationen auf ihre Anwendbarkeit für die Untersuchung von Halbleiteroberflächen evaluiert. Es stellt sich heraus, dass die kontaktfreien Methoden „Scanning Kelvin Probe Microscopy“ und „Scanning Capacitance Microscopy“ sehr gut geeignet sind, um die elektronische Struktur der Probenoberfläche qualitativ zu beurteilen. Allerdings muss für quantitative Aussagen ein recht großer rechentechnischer Aufwand betrieben werden. N2 - The still ongoing trend of miniaturization in the semiconductor industry creates the demand for experimental methods allowing a mapping of certain properties of surfaces with resolution in the nanometre range. Matters of particular interest are the surface potential and the capacitance of near surface regions, since these parameters give access to electronic properties. However, of major interest are non-destructive experimental methods, especially these with minor requirements on sample preparation allowing investigations of pristine surfaces. In this study, atomic force microscopy-based methods are evaluated both experimentally and with the help of simulations for their applicability to the investigation of semiconductor surfaces. It turns out that the non-contact methods, "Scanning Kelvin Probe Microscopy" and "Scanning Capacitance Microscopy" are very well suited to estimate the electronic structure of the sample surface qualitatively. However, for a quantitative assessment a fairly large effort of computing has to be carried out. KW - Kraftmikroskopie KW - Halbleiteroberfläche KW - Atomkraftmikroskopie KW - Silizium KW - Scanning Kelvin Probe Microscopy KW - Scanning Capacitance Microscopy KW - Atomic force microscopy KW - Silicon KW - Scanning Kelvin Probe Microscopy KW - Scanning Capacitance Microscopy Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-24440 ER - TY - THES A1 - Holla, Markus T1 - Defektcharakterisierung von Halbleitermaterialien für die Photovoltaik T1 - Defect characterization of semiconductor materials for photovoltaics N2 - Zur Deckung des stetig steigenden Energiebedarfs und unter Berücksichtigung des Umweltschutzes werden unter anderem Solarzellen genutzt. Defekte in Solarzellen können die Effizienz verringern. In dieser Arbeit wird das Defektverständnis von Silizium basierten Solarzellen erweitert. Neue experimentelle Erkenntnisse konnten zu folgenden Schwerpunkten gewonnen werden: • Siliziumnitrid- und Siliziumkarbidausscheidungen in multikristallinem Silizium • Rekombinationsaktivität in dünnen Siliziumschichten • Charakterisierung der Rekombinationsaktivität von Germanium als Modellmaterial für die Siliziumkristallisation • Rekombinationsaktivität und Verspannung an Korngrenzen Um Ergebnisse experimenteller Defektcharakterisierung auf allgemein gültige Parameter der Rekombination wie z.B. Ladungsträgerdiffusionslänge oder Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zurückführen zu können, wurden zu folgenden Phänomenen Modelle entwickelt und Simulationen durchgeführt: • Getterzonen an Korngrenzen • Ermittlung von Diffusionslänge und Diffusionskoeffizient in Dünnschichtmaterial • 3D-Raumladungseffekte Die Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse über die Rekombinationseigenschaften der Defekte liegt in einer möglicherweise zukünftigen kontrollierten Defektbeeinflussung und somit einer Effizienzverbesserung von Solarzellen. N2 - Solar cells are one possibility to meet the increasing energy requirement. Defects in solar cells can decrease the solar cell efficiency. The defect understanding of silicon based solar cell material is the aim of the present work. New experimental knowledge is achieved in the following topics: • silicon nitride and silicon carbide in multicrystalline silicon • recombination activity in thin silicon layers • characterization of germanium recombination activity as model material for silicon crystallization • recombination activity and stresses at grain boundaries Models and simulations are developed to conclude results from experimental defect characterization to generally valid recombination parameters for example charge carrier diffusion length or surface recombination velocity. The simulation chapters focus on the following issues: • getter zones at grain boundaries • estimation of diffusion length and diffusion coefficient in thin film material • 3D-space-charge-effects Possibly in future the new knowledge about recombination properties of defects could be used to influence the defects controlledly and increase the solar cell efficiency. KW - Defekt KW - Defect KW - Halbleiter KW - Semiconductor KW - Festkörperphysik KW - Halbleiter Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36384 ER - TY - THES A1 - Jia, Guobin T1 - Characterization of electrical and optical properties of silicon based materials T1 - Charakterisierung der elektrischen und optischen Eigenschaften von Silizium-basierten Materialien N2 - In this work, the electrical and luminescence properties of a series of Si based materials used for photovoltaics, microelectronics and nanoelectronics have been investigated by means of electron beam induced current (EBIC), cathodoluminescence (CL), photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL). Photovoltaic Si produced by block casting has been investigated by EBIC on wafers sliced from different parts of the ingot. The impact of selected solar cell processing steps on the material properties has been evaluated by EBIC utilizing adjacent wafers from the ingot. The temperature dependence of dislocations’ EBIC contrast was measured to assess the degree of dislocation contamination with impurities, yielding low dislocation contamination for the middle of the block and high contamination in the top and bottom regions. This is in agreement with the impurity distribution in the block. It was found that phosphorus diffusion gettering (PDG) followed by SiN firing greatly reduces the recombination activity of extended defects at room temperature, and improves the bulk property simultaneously. The improvement is attributed to both PDG of metal impurities and a passivation effect of SiN firing. In order to better understand the factors limiting the properties of thin polycrystalline Si layers prepared by the Aluminum induced layer exchange (Alile) technique, epilayers grown on (111) and (100) monocrystalline Si substrates were used as a model system to investigate the impact of processing temperature (Ts) and type of substrate. It was found that no dislocations are formed for epilayers on (100) Si, while a high density of dislocations was detected on epilayers prepared on (111) Si at 450 °C. The dislocation density decreases with increasing TS. The diffusion lengths extracted from the energy dependent EBIC collection efficiencies reveal an improvement of the epilayer quality with increasing TS during growth from 450 °C to 650 °C, and a decrease of the epilayer quality at 700 °C. This is attributed to a reduction of the dislocation density with increasing TS and a formation of precipitates during the process. Precipitate formation of at 700 °C is limited because the metal impurities are very mobile at high TS, resulting in a homogeneous distribution of the impurities. Because the impurities are effective lifetime killers of the minority carriers, so the diffusion length decreases. PL measurements on epilayers grown on Si substrates revealed no characteristic dislocation-related luminescence (DRL) lines at room temperature and 77 K, while intense characteristic DRL lines D1 - D4 have been detected in the sample prepared by the Alile technique. This indicates that dislocations in the Alile sample are relatively clean. The possible reason for the purification of the Alile samples is Al induced gettering during the polycrystalline Si layer growth. The diffusion length in the thin top layer of Si-on-insulator (SOI) samples has been successfully measured by EBIC employing suppression of the surface recombination at the buried oxide layer and at surface of the top layer by biasing. The measured diffusion length is several times larger than the layer thickness. Dislocation networks produced by Si wafer direct bonding have been investigated with regard to their electrical properties by EBIC. The networks were observed to show charge carrier collection and electrical conduction. Inhomogeneities in the charge collection were detected in n- and p-type samples under appropriate beam energy. The EBIC contrast behavior can be understood under the consideration of the positively charged oxide precipitates along with dislocations charged with majority carriers, where the appearance of the contrast in dark or bright depends strongly on the ratio of the collection and the recombination loss of the carriers.The luminescence properties of Si nanostructures (Si nanowires, Si nano rods, porous Si, and Si/SiO2 multi quantum wells (MQWs)) are another important subject of this work. Sub-bandgap infrared (IR) luminescence around 1570 nm has been found in Si nanowires, nano rods and porous Si. PL measurements with samples immersed in different liquid media, for example, in aqueous HF (50%), concentrated H2SO4 (98%) and H2O2 established that the sub-bandgap IR luminescence originates from the Si/SiOx interface. Its origin was explained in terms of a simple recombination model through radiative interface states. EL in the sub-bandgap IR range has been observed in simple diodes prepared on porous Si and MQWs at room temperature. The results show the possibility to fabricate an efficient light emitter around 1570 nm wavelength based on the radiative recombination at the Si/Si oxide interface. Based on the knowledge about radiative transitions via the interface states, an improved understanding of luminescence in dislocated samples was proposed. N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die elektrischen und Lumineszenzeigenschaften von verschiedenen Si-basierten Materialien mit Hilfe von Elektronenstrahlinduziertem Strom (EBIC), Kathodolumineszenz (CL), Photolumineszenz (PL) und Elektrolumineszenz (EL) untersucht. Die elektrischen Eigenschaften von Blockguss-Solar-Si wurden mittels EBIC an Proben aus verschiedenen Blockhöhen untersucht. Durch EBIC-Messungen an Parallelproben, die im Block unmittelbar benachbart waren, aber unterschiedlichen thermischen Prozessen unterzogen wurden, konnte die Wirkung ausgewählter Prozessschritte auf die Materialeigenschaften verfolgt werden. Aus den gemessenen Temperaturabhängigkeiten des EBIC-Kontrastes der Versetzungen lässt sich ableiten, dass in der Mitte des Blockes die Kontamination der Versetzungen mit metallischen Verunreinigungen gering ist, am Boden und in der Kappe aber deutlich höher. Das ist in guter Übereinstimmung mit der Höhnenverteilung der Verunreinigungen im Block. Es wurde festgestellt, dass Phosphordiffusionsgetterung (PDG) mit anschließendem Feuern einer aufgebrachten SiN-Schicht die Rekombinationsaktivität der ausgedehnten Defekten bei Raumtemperatur deutlich reduziert und gleichzeitig die Volumenqualität verbessert. Die Verbesserung wird auf Getterung von metallischen Verunreinigungen infolge PDG und die Passivierungswirkung des SiN-Feuerns zurückführt. Um die Faktoren, die die Eigenschaften dünner polykristalliner, mittels sogenannter Al-induzierter Schichtaustauschtechnik (Alile) hergestellter Si-Schichten besser verstehen zu können, wurden als Modellsystem für die Untersuchung des Einflusses von Substrate und Prozesstemperatur Epischichten auf (111)- und (100)-orientierten einkristallinem Si abgeschieden. Es wurde festgestellt, das Epischichten auf (100) Si versetzungsfrei wachsen nachgewiesen hat, während Epischichten auf (111) Si eine hohe Versetzungendichte bei 450 °C aufweisen. Die Dichte der Verstzungen nimmt mit steigender Substrattemperatur (TS) ab. Die aus der energienabhängigen Messungen der EBIC-Sammlungseffizienz ermittelten Diffusionslängen zeigen für (111) Si eine Zunahme der Schichtqualität mit steigender TS bis 650 °C, und einen Abfall für 700 °C. Das Abfallen der Diffusionslänge bei 700 °C deutet daraufhin, dass die Ausscheidungsbildung nicht effektiv ist und sich die Verunreinigungen fast gleichmäßig in der Schicht verteilen. Da die Verunreinigungen aktive Rekombinationszentren und Lebensdauerkiller für Minoritätsladungsträger sind, nimmt so die Diffusionslänge ab. PL-Messungen an auf (100)- und (111)-Si gewachsenen Epischichten haben keine versetzunginduzierte Lumineszenz (DRL) D1-D4 nachgewiesen. In der Alile-Probe tritt dagegen ein intensives DRL-Siganl auf. Dies bedeutet, dass die Versetzungen in der Alile-Probe relativ sauber sind, was wahrscheinlich auf eine Al-induzierte Getterung von Verunreinigungen zurückzuführen ist. Die Diffusionslänge in der dünnen oberen Schicht von SOI-Proben wurde erfolgreich mittels EBIC gemessen, indem die Oberflächenrekombination an der Oberfläche und an der vergrabenen Oxidschicht mit Hilfe angelegter Spannungen unterdrückt wurde. Die gemessene effektive Diffusionslänge ist mehrfach länger als der Schichtdicke. Durch direktes Bonden von Si-Wafern hergestellte Versetzungsnetzwerke wurden mit EBIC hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften untersucht. Es wurde beobachtet, dass die Netzwerke Ladungssammlung und elektrische Leitung zeigen. Bei bestimmten Strahlenergien wurden Inhomogenitäten der Ladungssammlung nachgewiesen. Das Verhalten des EBIC-Kontrastes dieser Inhomogenitäten kann unter der Berücksichtigung der positiv geladenen Sauerstoffausscheidungen im Netzwerk und der mit Majoritätsträgern beladenen Versetzungen verstanden werden. Das Auftreten von Dunkel- oder Hellkontrast hängt stark vom Verhältnis zwischen Ladungssammlung und Rekombinationverlust am Netzwerk ab. Die Lumineszenzeigenschaften von Si-Nanostrukturen (Si-Nanodrähte, Nanostäbe, poröses Si und Si/SiO2 Multi-Quantentöpfe (MQW)) sind ein anderes wichtiges Thema der Arbeit. Ein infrarotes Lumineszenzband im „sub-bandgap“-Bereich wurde in Si-Nanodrähten, Nanostäben und porösem Si entdeckt. PL-Messungen in flüssigen Medien wie HF (50%), H2SO4 (98%) und H2O2 ergaben, dass das Lumineszenzband von der Si/SiOx-Grenzfläche stammt. Zur Erklärung dieses Bandes wurde ein einfaches Rekombinationsmodel via Grenzflächenzustände vorgeschlagen. EL-Messungen an Dioden aus porösem Si und MQW zeigten infrarote Lumineszenz im „sub-bandgap“-Bereich bei 300 K. Die Ergebnisse demonstrieren die Möglichkeit, einen effizienten Lichtemitter bei 1570 nm Wellenlänge auf der Basis strahlender Rekombination an der Si/SiOx-Grenzfläche herzustellen. Basierend auf dem Wissen über strahlende Rekombination an der Si/SiOx-Grenzfläche, wurde ein modifiziertes Verständnis der Lumineszenz in versetztem Si vorgeschlagen. KW - Siliciumverbindungen KW - Werkstoffkunde KW - Silicium KW - Elektrische Eigenschaft KW - Optische Eigenschaft KW - Versetzungsnetzwerk KW - Elektrische Leitfähigkeit KW - Diffusionslänge in SOI-Schichten KW - Solarzellen KW - Infrarote Lumineszenz im Sub-bandgap-Bereich KW - Dislocation network KW - Electrical conductivity KW - Diffusion length in SOI layer KW - Solar cells KW - Sub-bandgap infrared luminescence from Si/SiOx interface Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-14030 ER - TY - THES A1 - Trushin, Maxim T1 - Electronic properties of interfaces produced by silicon wafer hydrophilic bonding T1 - Elektronische Eigenschaften durch hydrophiles Bonden von Siliziumwafern erzeugter Grenzflächen N2 - The thesis presents the results of the investigations of electronic properties and defect states of dislocation networks (DNs) in silicon produced by wafers direct bonding technique. Practical interest for the investigations in this area issued – first of all – from the potential application of such dislocation networks in microelectronics as all-Si light emitter for on-chip interconnection. Besides, dislocation networks may serve as a perfect model object to get new information about the fundamental properties of dislocations and grain boundaries in Si, what is of particular importance for multicrystalline silicon solar cells performance. Despite of a long story of studying of dislocations in silicon, a new insight into the understanding of their very attractive properties was succeeded due to the usage of a new, recently developed silicon wafer direct bonding technique, allowing to create regular dislocation networks with predefined dislocation types and densities. Samples for the investigations were prepared by hydrophilic bonding of p-type Si (100) wafers with same small misorientation tilt angle (~0,5°), but with four different twist misorientation angles Atw (being of <1°, 3°, 6° and 30°, respectively), thus giving rise to the different DN microstructure on every particular sample. The main experimental approach of this work was the measurements of current and capacitance of Schottky diodes prepared on the samples which contained the dislocation network at a depth that allowed one to realize all capabilities of different methods of space charge region spectroscopy (such as CV/IV, DLTS, ITS, etc.). The key tasks for the investigations were specified as the exploration of the DN-related gap states, their variations with gradually increasing twist angle Atw, investigation of the electrical field impact on the carrier emission from the dislocation-related states, as well as the establishing of the correlation between the electrical (DLTS), optical (photoluminescence PL) and structural (TEM) properties of DNs. The most important conclusions drawn from the experimental investigations and theoretical calculations can be formulated as follows: - DLTS measurements have revealed a great difference in the electronic structure of small-angle (SA) and large-angle (LA) bonded interfaces: dominating shallow level and a set of 6-7 deep levels were found in SA-samples with Atw of 1° and 3°, whereas the prevalent deep levels – in LA-samples with Atw of 6° and 30°. The critical twist misorientation angle separating SA- and LA- interfaces was estimated as Atw*≈ 3,5±0,5°, what agrees quiet well with the results of previous PL and TEM investigations. - For the dominating shallow traps in SA-samples (denoted as ST1/ST3 traps) a new phenomenon – that is ‘giant Poole-Frenkel effect’ of enhanced carrier emission due to dislocations elastic strain field was observed for the first time. Performed theoretical calculations have shown that in the investigated samples such an effect should be ascribed to the row of 60° dislocations rather than to the mesh of screw ones. In this respect, shallow traps ST1/ST3 were identified either with shallow 1D bands (directly or as being coupled with them) or with shallow stacking fault states on splitted 60° dislocation. - From the comparison and correlations of measured DLTS spectra with the results of PL and TEM investigations it was established, that shallow ST1/ST3 traps participate in D1 radiative recombination and that the structural elements, responsible for D1 luminescence of small-angle DNs, are the triple knots (intersections with screw dislocations) along the 60° dislocations. However, the optimal density of 60° dislocations as well as of triple knots, in other words – the optimal tilt and twist misorientation angles for maximal D1 intensity – needs further clarification. N2 - Die Doktorarbeit stellt Ergebnisse von Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften und Defektzustände von durch direktes Waferbonden erzeugten Versetzungsnetzwerken in Siliziumwafern vor. Praktisches Interesse an diesen Untersuchungen resultiert vor allem aus der möglichen Nutzung solcher Versetzungsnetzwerke als Si-basierte Lichtemitter für die On-Chip-Datenübertragung in der Mikroelektronik. Außerdem können solche Versetzungsnetzwerke als perfektes Modellobjekt dienen, um neue Informationen über die grundlegenden Eigenschaften von Versetzungen und Korngrenzen in Si zu erhalten, die von erheblicher Bedeutung für die Leistungsfähigkeit der multikristallinen Si-Solarzellen sind. Trotz einer Vielzahl von vorangegangenen Untersuchungen an Versetzungen in Si konnte ein neuer Beitrag zum Verständnis der interessanten Eigenschaften von Versetzungen geleistet werden, der wesentlich auf der Nutzung eines neuen, kürzlich entwickelten Verfahrens zum Waferbonden aufbaut, mit dem es möglich geworden ist, ein regelmäßiges Versetzungsnetzwerk mit vordefinierten Versetzungstypen und Versetzungsdichten zu erzeugen. Die Proben für die Untersuchungen wurden durch hydrophiles Waferbonden hergestellt. Alle Proben wurden mit dem gleichen kleinen Fehlorientierungskippwinkel von ca. 0,5° gebondet, jedoch mit vier verschiedenen Fehlorientierungsverdrehungswinkeln von <1°, 3°, 6° und 30°, aus denen sich für die einzelnen Proben eine verschiedene Versetzungsmikrostruktur ergab. Der wichtigste experimentelle Ansatz dieser Arbeit ist die Durchführung von Messungen des Stromes und der Kapazität von Schottky-Dioden an Proben, die Versetzungsnetzwerke in einer solchen Tiefe enthielten, dass alle Möglichkeiten der verschiedenen Methoden der Raumladungszonen-Spektroskopie (wie CV/IV, DLTS, ITS) genutzt werden konnten. Die Zielstellungen der Untersuchungen umfassten die Erfassung der elektronischen Zustände in der Bandlücke, die mit dem Versetzungsnetzwerk in Verbindung stehen, deren Abhängigkeit von der graduell modifizierten Geometrie des Versetzungsnetzwerkes, die Untersuchung des Einflusses des elektrischen Feldes auf die Ladungsträgeremission aus den versetzungsbezogenen Zuständen sowie die Herstellung von Korrelationen zwischen elektrischen, optischen (Photolumineszenz – PL) und strukturellen (TEM) Eigenschaften der Versetzungsnetzwerke. Die wichtigsten Schlussfolgerungen aus den experimentellen Untersuchungen und theoretischen Berechnungen können wie folgt formuliert werden: - Die DLTS-Messungen zeigen einen großen Unterschied in der elektronischen Struktur von Netzwerken, die mit kleinem Winkel (SA) oder großem Winkel (LA) der Fehlorientierung gebondet wurden. Flache Zustände und etwa 6-7 tiefe Niveaus wurden in SA-Proben mit Verdrehungswinkeln von 1° und 3° gefunden, während für LA-Proben mit 6° und 30° Verdrehungswinkel tiefe Zustände vorherrschen. Der kritische Winkel, welcher die SA- von den LA-Proben trennt, ist etwa 3,5 ± 0,5 °, was auch mit den Ergebnissen der bisherigen PL- und TEM-Untersuchungen übereinstimmt. - Für die dominierenden flachen Zustände in den SA-Proben (bezeichnet als ST1/ST3- Haftstellen) wurde erstmalig ein neues Phänomen beobachtet – der so genannte "Riesen-Poole-Frenkel-Effekt" der verstärkten Ladungsträgeremission infolge des elastischen Verzerrungsfeldes der Versetzungen. Durchgeführte theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass in den untersuchten Proben dieser Effekt nicht den Schraubenversetzungen, sondern den 60°-Versetzungen zugeschrieben werden muss. In diesem Zusammenhang konnten die flachen Haftstellen ST1/ST3 entweder als flache 1-D Bändern oder als flache Stapelfehlerzustände an aufgespaltenen 60°-Versetzungen identifiziert werden. - Durch Vergleich und Korrelation der gemessenen DLTS-Spektren mit den Ergebnissen der PL- und TEM-Untersuchungen wurde festgestellt, dass die flachen ST1/ST3-Haftstellen an der strahlenden D1-Rekombination beteiligt sind und dass die Dreifachknoten (Schnittpunkte) entlang der 60°-Versetzungen die Strukturelemente darstellen, die für die D1- Lumineszenz an Kleinwinkelnetzwerken verantwortlich sind. Daher sind für eine hohe Intensität der D1-Luminszenz sowohl Verdrehung wie auch Verkippung wichtig, wobei für die Angabe der optimalen Dreh- und Kippwinkel weitere Spezifizierung nötig ist. KW - Elektronische Eigenschaft KW - Siliciumbauelement KW - Bonden KW - Wafer KW - Silicium KW - Versetzungsnetzwerk KW - Poole-Frenkel Effekt KW - DLTS KW - D1 Lumineszenz Band KW - Dislocation networks KW - DLTS KW - Poole-Frenkel effect KW - D1 Luminescence band Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22841 ER - TY - THES A1 - Oriwol, Daniel T1 - Die Versetzungsstruktur von multikristallinem Silicium aus der industriellen VGF-Blockkristallisation T1 - The dislocation structure of multicrystalline silicon made by industrial block casting N2 - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Struktur und der Entwicklung von Versetzungen in multikristallinen Siliciumblöcken aus der gerichteten Blockkristallisation. Versetzungen können für die Rekombination von Ladungsträgern verantwortlich sein und damit den Wirkungsgrad von Solarzellen und -modulen mindern. Die experimentelle Arbeit gliedert sich bezüglich ihrer Fragenstellung und der Methodenwahl in drei Teile und wird in den Kapiteln 2 bis 4 behandelt. In Kapitel 2 wird die Defektstruktur vieler Siliciumblöcke mittels automatisierten Verfahren untersucht. Die Analysemethoden umfassen dabei die Auswertung der Wafertextur und der Infrarot-Durchlichtbilder sowie Ätzgrubendichtezählung (EPD) und Photolumineszenz (PL). Der Betrachtungsabstand ist makroskopisch und die Ergebnisse geben das Verhalten von vielen Versetzungen wieder. Die Versetzungsstruktur in multikristallinem Silicium ist geprägt durch scharf abgegrenzte Bereiche mit sehr hoher Versetzungsdichte. Diese sog. Versetzungscluster bestehen aus einem Netzwerk aus Versetzungs-Pile-ups (Kleinwinkelkorngrenzen) und können in sogenannte leichte und dichte Cluster unterschieden werden. Die Versetzungscluster haben im Siliciumblock einen Ausgangspunkt, von dem aus sie sich ausbreiten. Dieser befindet sich hauptsächlich an Korngrenzen und generiert sich spontan während der Erstarrung in der Nähe der Phasengrenze. Das Auftreten von leichten und dichten Clustern ist abhängig von der Kornorientierung parallel zur Wachstumsrichtung. Körner mit Orientierungen nahe <111>, <211> und <311> neigen dazu leichte Cluster auszubilden, während Körner mit Orientierungen um <110>, <331> und <531> eher dichte Cluster ausbilden. Kornorientierungen um <100> und <511> sind unauffällig bzgl. der Ausbildung von Versetzungsclustern. Der Zusammenhang liegt in der Orientierung der Gleitebenen begründet. Kapitel 3 behandelt die strukturelle Untersuchung der Versetzungen mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie der Synchrotron- Röntgentopographie (WB-XRT). Die Versetzungen formen streng geordnete Pile-ups, welche letztendlich Kleinwinkelkorngrenzen entlang der Wachstumsrichtung ausbilden. Der Versetzungsabstand beträgt etwa 30 bis 800 nm, was mit einer Verkippung in der Kristallorientierung von 0,3 bis 0,07 ° korrespondiert. Die Rotation der Kristallorientierung verläuft hauptsächlich um eine Achse parallel zur Wachstumsrichtung. Anhand dieser Beobachtungen wurde ein Modell zur Abschätzung der Versetzungsdichte aufgestellt. Für die leichten Cluster beträgt diese ca. 2*10^5 cm^2 und für die dichten Cluster etwa 3*10^7 cm^2. Die Auswirkungen der Versetzungsstruktur auf die elektrischen Eigenschaften werden in Kapitel 4 behandelt. Mit Electron Beam Induced Current (EBIC) und Dunkel-Lock-In-Thermographie (DLIT) wurde herausgestellt, dass vor allem solche Versetzungen elektrisch aktiv sind, welche sich zu Kleinwinkelkorngrenzen angeordnet haben. Ein niedriger Versetzungsabstand innerhalb der Subkorngrenzen scheint nur eine Bedingung für eine elektrische Aktivierung zu sein. Ein Zusammenhang zwischen dem Betrag der Verkippung einer Subkorngrenze und dem EBIC-Kontrast konnte nicht hergestellt werden. In der abschließenden Diskussion (Kap. 5) wird ein Modell zur Entstehung und Evolution von Versetzungsclustern vorgeschlagen. Die Versetzungscluster generieren sich hauptsächlich an Korngrenzen. Dabei werden die Kleinwinkelkorngrenzen durch die Restrukturierung von Versetzungen sekundär gebildet. Die Ergebnisse legen nahe, dass dies während der Erstarrung unmittelbar nach der Phasengrenze geschieht. Die treibenden Kräfte sind demnach thermische Spannungen an der Erstarrungsfront. Die Versetzungen und damit die Subkorn-Strukturen erreichen die Phasengrenze und bleiben bei der weiteren Kristallisation erhalten, sodass die kontinuierlich auftretenden thermischen Spannungen mit neuen Versetzungen und damit mit erneuter Bildung von Versetzungen und Subkorngrenzen abgebaut werden müssen. Durch diesen Vererbungseffekt erhöht sich die Versetzungsdichte stetig mit steigender Blockhöhe. Im Abschluss werden Maßnahmen zur Reduktion der Versetzungsdichte im Kristallisationsprozess diskutiert. Beim Ankeimen am Tiegelboden oder während der Erstarrung sollten geeignete Kornorientierungen bevorzugt werden. Eine weitere Maßnahme ist die Reduktion der radialen thermischen Spannungen während der Kristallisation. Unbekannt bleibt die genaue, atomare Ursache der erhöhten Versetzungsgeneration an Korngrenzen und die damit verbundene spontane Bildung von Versetzungsclustern. Weiterhin bleibt offen, ob und in welchem Umfang Lomer-Cottrell-Versetzungen innerhalb der Subkorngrenzen gebildet werden und welchen Einfluss diese auf die elektrische Aktivität haben. N2 - This work deals with the structure and evolution of dislocations in multicrystalline silicon ingots made by industrial block casting. Dislocations can act as recombination active centres and therefore be detrimental for the solar cell efficiency. Concerning the topics the experimental work can be divided into three parts treated in chapter 2 to 4. In chapter 2, the defect structure is investigated in dependence of the grain structure by automatized methods. These are the analysis of texture and IR-transmission pictures as well as etch pit density measurements and photoluminescence. The macroscopic viewing distance provides information about the behaviour of many dislocations. The dislocation structure is characterized by regions of high dislocations density lying site by site to regions with low dislocation densities. These so called dislocation clusters are made of a network of pile-up (low angle subgrain-boundaries) and can be divided into two types, called light clusters and dense clusters. The clusters are formed spontaneously mostly at grain boundaries in the vicinity of the liquid-solid interface during the crystallization. The occurrence of the two types of clusters depends on the crystal grain orientation parallel to the growth direction. Grains with orientations near <111>, <211> and <311> tend to build light clusters, whereas grains with orientations near <110>, <331> and <531> tend to build dense clusters. Grains with orientations near <100> and <511> appear to have a small tendency to build clusters at all. This correlation may be explained by the orientations of the slip systems. If two independent {111} glide planes are oriented parallel or nearly parallel to the growth direction a tendency to build dense cluster is given. With higher deviation from this condition the grains tend to build light clusters. Chapter 3 deals with the structural investigation by means of transmission electron microscopy and white-beam X-ray topography. It is shown that dislocations arrange into up pile ups and eventually build up subgrain boundaries lying along growth direction. The dislocation distances within the subgrain boundaries ranges from 30 to 800nm which corresponds to a rotation in the crystal orientation from 0.3 to 0.07 °. The rotation axis lies parallel to the growth direction. With these observations, an estimation of the dislocation density within the subgrain boundaries has been developed. The dislocation densities amount to 2*10^5 cm^2 for light clusters and 3*10^7 cm^2 for dense clusters, respectively. The impact of the dislocation structure on the electrical properties is treated in chapter 4. It is shown by means of electron beam induced current (EBIC) and dark lock-in thermography (DLIT) that subgrains within the dislocations clusters are the main recombination active defects. Regions of low dislocation density have no electrical effect for photovoltaic application. A small dislocation distance within the subgrains seems to be only one condition for the electrical activity. A correlation between the misorientation due to the subgrain and the EBIC-contrast could not be found. A decoration of the dislocations by impurities (in particular transition metals) is necessary as well. Furthermore, the influence of Lomer-Cottrell dislocations is discussed. A model for the generation and evolution of a dislocation cluster is given. These clusters are mainly generated at grain boundaries, although the exact source could not be identified. It is evidenced by the experimental results that the dislocations build up subgrain boundaries in the vicinity of the phase boundaries. The driving force for the dislocation generation is the thermal stress at the interface. During the crystallization, the dislocations reach the interface and are forced to growth further due to the proceeding interface. Thus the thermals stresses at the interface have to be released by the generation of new dislocations and subgrain boundaries. Due to this inheritance effect the dislocation density increases continuously during the crystallization. In the final part, methods for the reduction of the dislocation density are discussed. During seeding and crystallization the grain orientation along growth direction should be influenced. Grains growing in orientations near h100i are recommended, but grains with orientations about h110i should be avoided. A further method to reduce the dislocations density is to avoid radial thermal stresses. This work and its classification of dislocations clusters is a basis for further investigations. Extensive investigations by means of TEM and WB-XRT would be necessary to obtain closer information of the composition of subgrain boundaries. The nature of the source of dislocation clusters within the grain boundaries remains unexplained. Furthermore, it might be an interesting question how much Lomer-Cottrell dislocations play a role regarding the electrical activity of subgrain boundaries. KW - Versetzungen KW - Multikristallines Silicium KW - Gerichtete Erstarrung KW - Synchrotron Röntgentopographie KW - Transmissionselektronenmikroskopie KW - Dislocation KW - Multicrystalline silicon KW - Directional soldification KW - Synchrotron X-Ray topography KW - Transmission electron microscopy KW - Silicium KW - Polykristall KW - Versetzung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31553 ER - TY - THES A1 - Wiatrek, Andrzej T1 - Untersuchung der Eigenschaften der gesättigten stimulierten Brillouin-Streuung und ihrer Anwendungsmöglichkeiten T1 - Investigation of the properties and applications of the saturated stimulated Brillouin scattering N2 - Es ist wohl gerade die Einfachheit seiner Erzeugung, welche den nichtlinearen optischen Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung so interessant für viele Anwendungen in der optischen Signalverarbeitung, der Fasersensorik, der hochauflösenden Spektroskopie und auch der Signalverzögerung und -speicherung macht. Die geringe Verstärkungsbandbreite kann zur selektiven Filterung oder Abtastung optischer Signale eingesetzt werden, was die Grundlage der optischen Spektroskopie aber auch der Lichtspeicherung ist. Darüber hinaus werden Signale innerhalb dieser Bandbreite nicht nur verstärkt, sondern auch abhängig vom Gewinn bzw. der eingestellten Pumpleistung verzögert. Diese Eigenschaft ist die Grundlage der sogenannten Slow-Light-Systeme. Damit kann mit einem Brillouin-Verstärker ein durchstimmbarer optischer Kurzzeitpuffer realisiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe gezielt gesättigter Brillouin-Verstärker grundlegende Beschränkungen des Brillouin-basierten Slow-Light und der Brillouin-basierten optischen Filterung aufgehoben, was mit den herkömmlichen linearen Ansätzen nicht möglich ist. Der Vorteil der Sättigung des Brillouin-Verstärkers ist, dass sie nur zu einer vorhersagbaren Begrenzung des Amplitudenspektrums aber nicht zur Entstehung neuer Signalfrequenzen führt. Die spektrale Begrenzung des verstärkten Signals und ein nichtlinearer Verlauf der Gruppenlaufzeit im spektralen Randbereich des Brillouin-Verstärkers führen zu einer zeitlichen Verbreiterung der verzögerten Lichtpulse. Diese Verbreiterung ist insofern problematisch, dass sie die Unterscheidbarkeit der verschiedenen Signalpegel für logische Einsen und Nullen signifikant verschlechtert. Mit Hilfe des vorgestellten gesättigten Systems erfolgt eine gezielte Rückformung der verzögerten Pulse, was erstmalig zu einer verbreiterungsfreien und damit auch verlustarmen Pulsspeicherung führt. Darüber hinaus kann auf Basis der Nachbildung der gesättigten Filtercharakteristik mit einem linearen Brillouin-Verstärker ebenfalls eine verbreiterungsfreie Pulsverzögerung nachgewiesen werden. Ein optischer Speicher kann aber auch durch Unterabtastung eines Signalspektrums mit einem Brillouin-basierten Kammfilter realisiert werden. Die maximale Speicherzeit ist dabei durch die natürliche Brillouin Gewinnbandbreite begrenzt. Dieser Wert ist abhängig von der Pump- und Signalleistung, der Umgebungstemperatur, von mechanischem Stress und vom Fasermaterial. Unter Ausnutzung der Sättigungseigenschaften des Brillouin-Gewinns lässt sich die Gewinnbandbreite durch Überlagerung einer sättigenden Spektralblende nahezu beliebig verkleinern. In dieser Arbeit wird auf Basis dieser Methode eine Bandbreitenreduktion des Brillouin-Filters um etwa eine Größenordnung nachgewiesen, wobei das Potential zur Verringerung um mehrere Größenordnungen besteht. N2 - It is probably the simplicity of its generation, which makes the nonlinear optical effect of stimulated Brillouin scattering that interesting for a lot of applications, such as optical signal processing, fiber sensorics, high-resolution optical spectroscopy, optical buffering and storage. Its small amplification bandwidth can be used for selective filtering or sampling of optical signals, which is the basis of optical spectroscopy and light storage as well. Furthermore, inside this bandwidth signals are not just amplified. They are delayed as well, depending on the gain and the pump power, respectively. This attribute is the foundation of the so-called slow-light systems. Therefore, a Brillouin amplifier can also be used used to implement a tunable optical short-time buffer. In this thesis it is shown that the saturation of the Brillouin amplifier can be applied to Brillouin based slow-light and Brillouin based optical filtering to remove their inherent limitations, which is impossible to do with the Brillouin amplifier working in the linear regime. The advantage of the saturation of a Brillouin amplifier is that it leads to a predictable limitation of the amplitude spectrum of the amplified signal, but not to the generation of new signal frequencies. The spectral narrowing of the amplified Signal and the nonlinear group delay at the spectral edges of the Brillouin amplifier cause a distortion of the delayed light pulses, which is primarily expressed in a temporal broadening of the pulse. Since it impairs the distinctiveness of the different signal levels for logical ones and zeros, this broadening is critically to the application of the method. With the help of the proposed saturated system the optical pulse is reshaped to its initial values. For the first time, this leads to a zero-broadening optical buffering of the pulses. Furthermore, it is shown that the reshaping method and its filtering characteristics can be reproduced by a Brillouin amplifier operating in the linear regime to achieve zero-broadening optical pulse delay as well. Optical storage can also be realized by subsampling the signal spectrum with a Brillouin based comb filter. The maximum storage time there is limited by the natural Brillouin gain bandwidth. This value depends on the pump and signal power, the temperature of the environment, mechanical strain and the fiber material. The superposition of a saturating frequency domain aperture to the signal of interest can be used to reduce the Brillouin gain bandwidth to almost any value. The Brillouin gain is supposed to be saturated in the spectral region of the aperture and it is not affected inside the aperture's gap. Based on this method, a bandwidth reduction of approximately one order of magnitude is proven experimentally. But, there could be a theoretical potential to reduce the gain bandwidth by several orders of magnitude. KW - Nichtlineare Optik KW - Brillouin-Streuung KW - Nichtlineare Optik KW - Stimulierte Brillouin-Streuung KW - Slow-Light KW - Nonlinear optics KW - Stimulated Brillouin scattering KW - Slow light Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29577 ER - TY - THES A1 - Schmidtbauer, Jan T1 - MBE growth and characterization of germanium nanowires T1 - MBE-Wachstum und Charakterisierung von Germanium-Nanodrähten N2 - Semiconductor nanowires, also called nanorods or nanowhiskers, are of particular interest for various applications in nanotechnology. Especially, germanium as a CMOS compatible material with its good electronic properties has gained renewed interest in recent years due to the availability of modern gate dielectrics. The present work deals with the vapor-liquid-solid growth of germanium nanowires and their characterization. The Growth has been carried out by means of molecular beam epitaxy using differently oriented germanium and silicon substrates whereas gold has been used to create metal catalyst droplets with radii of typically 100 nm and below. All stages from the substrate preparation to the final growth have been investigated in the frame of this work to find significant control parameters that influence the growth result. The droplet formation by means of gold evaporation onto the heated substrates has been investigated extensively on different substrates and for different surface preparations to identify parameters that are crucial for the resulting size distribution. Thereby sticking effects of the droplet circumference turned out to influence the radius distribution significantly. Germanium nanowires have been observed to grow preferentially along the <011> crystallographic directions on all utilized substrate orientations leading to defined possible inclinations of the wires with respect to the substrate normal. In contrast to the faceting known from silicon wires, the sidewalls mainly exhibit four flat {111} facets whereas the tip is roof shaped consisting of another two {111} facets. Different models which describe the inclined growth are presented and discussed. Furthermore, the material transport during the growth has been investigated. The nanowire length was found to be up to eight times larger than the nominal layer thickness according to the total amount of deposited germanium which is explained by surface diffusion towards the nanowires. The diffusion dominated growth regime was confirmed by length-radius-plot showing a decrease of the nanowire length at increasing radii. A temperature dependent diffusion model has been utilized to describe the observed nanowire length as a function of the substrate temperature. Beside conventional nanowires, so-called in-plane nanowires which grow along the substrate surface have been studied. Like their vertically growing counterparts, they also tend to grow along <011> in-plane directions which is particularly distinct on Ge(011) substrates. However, the fraction of nanowires which are aligned along <011> is influenced by substrate imperfections which was intentionally affected by means of wet-chemical substrate preparation. In addition to the nanowire growth, techniques for selective catalyst removal as well as for nanowire embedding in an insulating, transparent matrix have been established which can be important prerequisites for further nanowire processing in terms of electric or optoelectronic applications. N2 - Halbleitende Nanodrähte, auch Nanosäulen oder Nanowhisker genannt, sind wegen vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Nanotechnologie von hohem Interesse. Das gilt insbesondere für Germanium mit seinen guten elektronischen Eigenschaften, welches in den letzten Jahren eine Renaissance erlebt hat. Ein wesentlicher Grund hierfür ist seine Verwendbarkeit in der CMOS Technologie durch die Entwicklung moderner Gate-Isolationsschichten. Die vorliegende Arbeit behandelt das Wachstum von Germanium Nanodrähten nach dem vapor-liquid-solid-Mechanismus (gasförmig-flüssig-fest) und deren Charakterisierung. Als metallisches Lösungsmittel zur Erzeugung von Tröpfchen mit Radien im Bereich von 100 nm und kleiner wurde Gold verwendet. Von der Substratpreparation bis zum Wachstum wurden alle Phasen der Herstellung von Nanodrähten untersucht, um die wesentlichen Parameter zu finden, welche wichtige Kenngrößen wie die Wachstumsrate oder den Radius der Nanostrukturen beeinflussen. Ein Schwerpunkt der Untersuchung ist die Bildung von Tröpfchen und deren Größenverteilung als Funktion der Temperatur auf verschiedenen Substraten sowie in Abhängigkeit von unterschiedlichen Oberflächenvorbehandlungen. Das Wachstum der Nanosäulen erfolgt auf allen verwendeten Substratorientierungen bevorzugt in den <011>-Richtungen, was zu bestimmten Neigungswinkeln der Nanodrähte bezüglich der Substratnormalen führt. Anders als es von Silizium-Nanodrähten bekannt ist, weisen in <011>-Richtung gewachsene Germaniumdrähte vier {111}-Seitenfacetten auf und eine dachförmige Spitze, die aus zwei weiteren {111}-Facetten besteht. Das bevorzugte Wachstum in <011>-Richtungen wird anhand verschiedener Modelle diskutiert. Darüber hinaus wurde die Wachstumsrate der Nanowhisker unter Berücksichtigung des Stofftransportes untersucht. Es zeigt sich, dass die Oberflächendiffusion der Germaniumatome den entscheidenden Einfluss auf die Wachstumsrate der Nanodrähte hat. In einem entsprechenden Längen-Radius-Diagram ist ein diffusionslimitiertes Wachstumsregime ersichtlich. Die untersuchten Nanodrähte waren bis zu acht mal länger als die nominelle Schichtdicke, welche der Menge an deponiertem Germanium entspricht, was durch den diffusiven Stofftransport zum Wachstumsort an der Spitze der Nanodrähte erklärt werden kann. Die Wachstumsrate als Funktion der Temperatur konnte mit Hilfe der Temperaturabhängigkeit der Diffusionslänge im Rahmen eines einfachen Diffusionsmodels berechnet werden. Neben konventionellen Nanowhiskern wurden so genannte In-plane-Nanodrähte untersucht, welche innerhalb der Substratebene wachsen. Ähnlich wie vertikale Nanodrähte weisen diese bevorzugte, azimutale <011>-Richtungen, was auf Ge(011) Substraten besonders ausgeprägt ist. Der Anteil an In-pane-Nanodrähten, welche entlang der bevorzugten Richtungen wachsen, ist abhängig von Defekten in der Substratoberfläche, wie zum Beispiel der Rauigkeit und konnte gezielt durch nasschemische Vorbehandlung beeinflusst werden. Diese Befunde können bei gerichtetem Wachstum von Nanodrähten entlang von Oberflächen von Bedeutung sein, was in der Literatur auch als Guided Growth bezeichnet wird. Zusätzlich zu Wachstumsuntersuchungen wurden Methoden getestet, um Goldtröpfchen nasschemisch bei möglichst geringem Ätzangriff von Germanium-Nanostrukturen zu entfernen. Darüber hinaus wurden Nanostrukturen mittels Spin-Coating in eine elektrisch isolierende und transparente Matrix eingebettet. Für zukünftige Anwendungen können beide Arbeitsschritte eine wichtige Rolle spielen. KW - Nanodraht KW - Germanium KW - Molekularstrahlepitaxie KW - Nanodrähte KW - Molekularstrahlepitaxie KW - Germanium KW - Oberflächendiffusion KW - Nanostrukturen KW - Nanowire KW - Molecular beam epitaxy KW - Germanium KW - Surface diffusion KW - Nucleation KW - Nanostructures Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28660 ER - TY - THES A1 - Melnik, Nauka T1 - Untersuchung des Strahlungsdrucks auf dünne Folien unter Weltraumbedingungen T1 - Investigation of radiation pressure on thin foils under space conditions N2 - Trifft elektromagnetische Strahlung auf einen Körper, geben die Photonen ihren Impuls ab, bei einer idealen Reflexion sogar den doppelten Impuls. Auf die Oberfläche des bestrahlten Körpers wird somit eine Kraft ausgeübt. Dieser Strahlungsdruck ist extrem gering, jedoch ergeben sich unter speziellen Bedingungen, wie bei einer Anwendung im luftleeren Raum des Weltalls, konkrete effektive Einsatzbereiche. Die Anwendung des Strahlungsdrucks als Antriebsmittel im Bereich der Raumfahrt ist der Ausgangspunkt folgender Dissertation. Großflächige reflektierende Folien können den Strahlungsdruck der Sonne als spezielles Antriebsmittel für Raumfahrzeuge, sogenannte Sonnensegler, nutzen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Analyse der Kraftwirkung durch sonnenähnliche Strahlung auf dünne, reflektierende Folien. Des Weiteren wird die Messeinrichtung durch verschiedene Messreihen verifiziert, auftretende Effekte werden charakterisiert. Die Messeinrichtung ist in einer Hochvakuumkammer installiert. Der Strahlungsdruck wird durch eine 1600W Xenon Lampe mit sonnenähnlichem Spektrum auf eine 7,5 µm dicke, mit Aluminium beschichtete Kaptonfolie ausgeübt. Die resultierende Krafteinwirkung auf die Folienoberfläche wird mittels einer Präzisionswaage gemessen. In mehreren Testreihen werden Folienproben unterschiedlichen Bestrahlungsstärken ausgesetzt. Die experimentell ermittelten Messdaten bestätigen die theoretisch berechneten Werte des Strahlungsdrucks. Darüber hinaus zeigt sich im Verlauf der Experimente ein bisher unbeachteter Effekt. An der Folienoberfläche haften unter Atmosphäre Wassermolekülschichten, welche im Vakuum zunächst an der Folie haften bleiben. Diese Moleküle werden erst bei Bestrahlung von der Oberfläche desorbiert. Der Impuls durch die entweichenden Moleküle ist um ein Vielfaches größer als der Impuls der Photonen. Dieser Effekt beeinträchtigt die Strahlungsdruckmessung. Um die störenden Einflüsse zu eliminieren, sind in einer Testprozedur Randbedingungen definiert worden. N2 - Photons of electromagnetic radiation transfer their momentum on bodies; an ideally reflecting surface doubles the value of the momentum. Thus, a force is acting on the radiated surface of that body. The value of this radiation pressure is rather small, but under special condition, like use in exhausted outer space, there is real effective range of application. The initial point of this thesis is the application of radiation pressure as space propulsion. Large areas of reflective thin films can use the solar radiation pressure for a special type of propulsion in spacecraft applications like the so-called solar sails. The object of this thesis is to develop a measuring facility for analysis the acting force on thin reflective foils by solar like radiation. Furthermore, the facility will be verified by series of measurements, occurring effects will be characterized. This measuring system will be built up and operate in a vacuum chamber. A 1600W Xenon lamp with an AM0 spectrum will illuminate a 7.5 µm thick kapton foil coated with aluminum. A high precision balance measures the acting force on foil surface. In different measurement sequences foil samples are irradiated at different energy fluxes. The measured values correspond to the theoretical value of radiation pressure. Also, in the experiment appears a so far disregarded effect. Under atmosphere and still in vacuum water molecules adhere to the foil surface. These molecules desorb due to first strike of the radiation. The momentum by desorbing molecules is much higher than the momentum of photons. This influence affects radiation pressure measurement. Therefore, relevant boundary conditions are defined in a test procedure to eliminate disturbing influences. KW - Strahlungsdruck KW - Sonnensegel KW - Präzisionswaage KW - Desorption KW - Radiation pressure KW - Solar sailing KW - High precision balance KW - Desorption KW - Strahlungsdruck KW - Sonnensegel KW - Extraterrestrische Physik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-45847 ER - TY - THES A1 - Varlamova, Olga T1 - Self-organized surface patterns originating from femtosecond laser-induced instability T1 - Selbstorganisierte Bildung von periodischen Oberflächenstrukturen nach Femtosekundenlaser-Induzierter Instabilität N2 - The phenomenon of laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ripples, generated by near-infrared radiation with the central wavelength around 800 nanometer (λlaser ≈ 800 nm) and pulse duration about of 100 femtosecond (τpulse ≈ 100 fs) on solid targets is considered in this dissertation. The main aim of the work is a better understanding of the fundamental processes of laser-matter interaction resulting in pattern formation by femtosecond (fs) laser ablation. The problem is of great interest both in fundamental and applied science. The knowledge of the underlying physical mechanisms will provide the opportunity to control surface nanostructuring, which has a big application potential in many modern technologies. Femtosecond LIPSS observed at the bottom of ablation crater reveal a large variety of features including nanostructures with periods below 100 nm. Moreover, the ripple size depends mainly on the irradiation dose/absorbed laser energy and is rather insensitive to the variation of laser wavelength or incidence angle. The orientation of the structures is dictated by laser polarization. All these experimental observations and an astounding similarity of the structures to other patterns originating from instabilities led to the idea to attribute the femtosecond laser nanostructuring to a self-organized pattern formation from laser-induced surface instability. In this dissertation, surface pattern formation upon femtosecond laser ablation is considered in the framework of an adopted surface erosion model, based on the description of spontaneous pattern formation on surfaces bombarded with high-energy ions. We exploit the similarity to ion-beam sputtering and extend a corresponding model for laser ablation by including laser polarization. It has been found that an asymmetry in the deposition and dissipation of the incident laser energy, related to the laser polarization, results in a corresponding dependence of coefficients in a nonlinear equation of the Kuramoto-Sivashinsky type. The surface morphologies calculated in the framework of this model for different configurations of the incident laser electric field show an excellent qualitative agreement with structures observed in ultra-short pulse ablation experiments. In this work, properties of the periodic surface structures induced upon femtosecond laser ablation are studied in detail, focusing on a systematic investigation of the main control parameters regulating the pattern formation process. The results support the non-linear self-organization mechanism of pattern formation from laser-induced surface instability. N2 - Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Phänomen der Laser-Induzierten Periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, Ripples), erzeugt bei der Ablation durch ultrakurze Lichtimpulsen mit ≈100 fs Dauer (τPuls ≈ 100 fs) und einer Wellenlänge von 800 nm (λLaser ≈ 800 nm) an unterschiedlichen Targetmaterialien. Das wesentliche Ziel der Arbeit bestand darin, die fundamentale Physik der Oberflächenstrukturierung bei der Femtosekundenlaserablation besser zu verstehen. Das Problem ist von großer Bedeutung sowohl für die Grundlagenforschung als auch in der angewandten Wissenschaft. Die Kenntnis der physikalischen Mechanismen hilft, die Nanostrukturierung von Oberflächen zu kontrollieren, die ein großes Anwendungspotenzial in vielen modernen Technologien bietet. Femtosekunden LIPSS am Boden des Ablationskraters präsentieren eine große Vielfalt von Strukturen bis hin zu einer Periodizität kleiner als 100 nm. Die Größe der Strukturen hängt hauptsächlich von der Bestrahlungsdosis/absorbierten Laserenergie ab, und ist nicht von der Wellenlänge oder dem Einfallswinkel des Laserstrahls beeinflusst. Die Orientierung der Ripples ist mit der Polarisation der Laserpulse verknüpft. Alle diese experimentelle Beobachtungen und eine erstaunliche Ähnlichkeit der Strukturen zu anderen Mustern, die aus Instabilitäten entstehen, haben zur Idee geführt, die Entwicklung der Nanostrukturen im Rahmen einer Oberflächenselbstorganisation aus einer laserinduzierten Instabilität zu erklären. In der Arbeit wird die Entwicklung der periodischen Oberflächenstrukturen bei Femtosekundenlaserablation im Rahmen eines adoptierten Oberflächenerosionsmodels betrachtet. Unser theoretischer Ansatz basiert auf dem Modell für die Entwicklung von selbstorganisierten Oberflächenstrukturen beim hochenergetischen Ionenstrahl-Sputtern. Unsere Erweiterung des Modells berücksichtigt den Einfluss polarisierter Laserstrahlung. Es wird gezeigt, dass die Laserpolarisation eine Asymmetrie in der Verteilung der absorbierten Laserenergie verursachen kann, die auf eine entsprechende Abhängigkeit von Koeffizienten in einer Kuramoto-Sivashinsky Gleichung hinausläuft. Die numerisch berechneten Oberflächenmorphologien zeigen eine ausgezeichnete qualitative Übereinstimmung mit dem Experiment. Das experimentelle Teil der Dissertation präsentiert eine detaillierte Messung der Eigenschaften der laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung der Parameter die kontrollieren die Bildung/Entwicklung der Nanostrukturen. Die zahlreiche Daten aus Ablations-Experimenten unterstützen den nichtlinearen Charakter der Selbstorganisation bei der laser-induzierten Strukturbildung. KW - Oberflächenstruktur KW - Mikromechanik KW - Laserablation KW - Ultrakurzzeitlaser KW - Femtosekundenlaserablation KW - Laser-induzierte Oberflächenstrukturierung KW - Ripples KW - Selbstorganisierte Strukturbildung KW - Femtosecond laser ablation KW - Laser-induced surface patterning KW - Ripples KW - Selforganized pattern formation Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29530 SN - 978-3-95404-604-1 ER - TY - THES A1 - Mankovics, Daniel T1 - Luminescence investigation of bulk solar silicon and silicon thin films on glass substrate T1 - Lumineszenz-Untersuchungen von bulk-Solarsilizium und Silizium-Dünnfilmen auf Glassubstrat N2 - The aim of this work is to study the optical properties of crystal defects in multicrystalline solar silicon and poly-/microcrystalline silicon thin films on glass substrate. First a setup for photoluminescence imaging on multicrystalline silicon solar wafers was developed. This system is suitable for detecting band-to-band luminescence as well as defect-related luminescence at room temperature on large-scale wafers at different stages of their processing. Spectroscopic photoluminescence investigations of multicrystalline silicon solar wafers indicated a new intense luminescence line at ≈ 0.91 eV at room temperature. The origin of this line is probably found in a specific grain boundary. Furthermore, luminescence in the region of 0.8 eV was investigated in detail, and it was found that probably oxygen is responsible for a peak at 0.77 eV at 80 K. Electroluminescence investigations at room temperature at both materials exhibit extended defect structures such as grain boundaries. Furthermore, it can be concluded that electroluminescence imaging in reverse bias mode indicate on serious breakdown points in solar cells, which can lead to destruction of solar cells and modules. By comparing defect-related and reverse bias electroluminescence images, a difference in the spatial distribution of defects emitting D1 radiation and defects emitting light under reverse bias beyond -12 V is detectable. In addition, there seems to be a correlation in the distribution of non-doping impurities and photoluminescence. Concerning this, vertical slabs of two silicon blocks were examined by means of Fourier-transform infrared spectroscopy and photoluminescence. A correlation of the distributions of interstitial oxygen and the band-to-band luminescence profiles could be found. Additionally, a correlation between D3/D4 luminescence profile and nitrogen distribution in the blocks was observed. Finally, the growth process, particularly the transition from amorphous to microcrystalline silicon by PECVD, was studied by combined photoluminescence and Raman investigations. Formation of silicon nano-grains was detected by means of photoluminescence and Raman spectroscopy. N2 - Das Ziel dieser Arbeit ist es, die optischen Eigenschaften von Kristalldefekten in multikristallinem Solarsilizium und poly-/mikrokristallinen Silizium-Dünnschichten auf Glas-Substrat zu studieren. Zuerst wurde ein Aufbau für Photolumineszenz-Imaging an multikristallinem Silizium-Solarwafern entwickelt. Dieses System eignet sich zur Erfassung von Band-zu-Band-Lumineszenz sowie Defekt-Lumineszenz bei Raumtemperatur großer Solarwafer nach verschiedenen Prozessschritten. Spektroskopische Photolumineszenz-Untersuchungen von multikristallinen Silizium-Solarwafern zeigte eine neue intensive Lumineszenzlinie bei ≈ 0.91 eV bei Raumtemperatur. Der Ursprung dieser Linie liegt wahrscheinlich in einer bestimmten Korngrenze. Weiterhin wurde die Lumineszenz im Bereich von 0.8 eV im Detail untersucht, und es wurde gefunden, dass wahrscheinlich Sauerstoff für einen Peak bei 0.77 eV bei 80 K verantwortlich ist. Elektrolumineszenz Untersuchungen bei Raumtemperatur an beiden Materialien zeigen ausgedehnte Defektstrukturen wie Korngrenzen. Darüber hinaus kann der Schluss gezogen werden, dass das Elektrolumineszenz-Imaging im Rückwärtsvorspannungs-Modus auf schwerwiegende Durchbruchstellen in Solarzellen hinweist, die zur Zerstörung von Solarzellen und Modulen führen kann. Durch Vergleich von Defektlumineszenz- und Sperrvorspannungs-Elektrolumineszenz-Bildern ist ein Unterschied in der räumlichen Verteilung der Defekte, die D1 emittieren, und der Durchbruchlumineszenz unter Sperrvorspannung über -12 V erkennbar. Außerdem gibt es Hinweise auf einen Zusammenhang bei der Verteilung von nicht-dotierenden Verunreinigungen und der Lumineszenz. Hierzu wurden vertikale Scheiben zweier Siliziumblöcke mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und Photolumineszenz untersucht. Eine Korrelation der Verteilung von interstitiellem Sauerstoff und den Band-zu-Band-Lumineszenz-Profilen konnte gefunden werden. Außerdem wird eine Korrelation zwischen dem D3/D4 Lumineszenzprofil und der Stickstoffverteilung in den Blöcken beobachtet. Schließlich wurde der Wachstumsprozeß, insbesondere der Übergang von amorphem zu mikrokristallinem Silizium mittels PECVD, durch Kombination der Photolumineszenz- und Raman-Methoden untersucht. Bildung von Silizium-Nanokörnern wurde mittels Photolumineszenz- und Raman-Spektroskopie detektiert. KW - Silicon KW - Defects KW - Photoluminescence KW - Luminescence imaging KW - Silicon thin films KW - Silizium KW - Defekte KW - Photolumineszenz KW - Lumineszenz-Imaging KW - Silizium-Dünnfilme KW - Silicium KW - Dünnschichttechnik KW - Solarzelle KW - Fehleranalyse Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35196 ER -