1,721,159 research outputs found
Tailoring UV cure depth profiles for optimal mechanical properties of organosilicate thin films
No full textThe adhesive and cohesive properties of organosilicate thin films are remarkably insensitive to UV curing. We demonstrate how to maximize these properties with UV standing waves together with an optical spacer underlying layer. Using a simulation of the UV cure profile through the film thickness, we demonstrate how a UV transparent SiN optical spacer layer can be selected to maximize curing at both sides of the organosilicate film with marked increases in interfacial fracture energy. On the contrary, a UV absorbing SiCN underlying layer resulted in significantly reduced UV intensities and small improvements of the interfacial fracture energies
New dopable semiconducting polymer materials enabling novel device architecture
Full text linkSemiconducting polymers are promising materials for next-generation, flexible electronics devices. Over the last decades, various types of polymers have been developed and applied to devices such as light-emitting diodes (OLEDs), photovoltaics (OPVs), and field-effect transistors (OFETs). Conductivity is one of the most important parameters for the device performance since it directly affects charge carrier collection, injection, and transport. Besides, not only bulk conductivity but also interfacial energy barrier is critical for multilayer devices, especially an energy alignment of layers is essential to collect/inject charge carriers smoothly. Therefore reliable systems for both p- and n-type doping are sought after. Chemical doping (molecular doping) is a promising technique to achieve both, to enhance the conductivity in polymers and to shift energy levels by generating charge carriers (holes or electrons) in polymer films. The method enables to transport charge carriers in thin films or between neighboring layers effectively.
This thesis investigates the chemical doping from the nanostructure level, particularly two types of devices where doping plays a crucial role: 1) pressure sensor based on p-doped semiconducting polymer nanopillars, 2) novel n-type doping system for a technologically advantageous thick interlayer in organic solar cells.
In the first part, an application of nanostructured p-doped polymer was explored in a new type of device. While p-type doping is relatively common, especially for P3HT or PEDOT:PSS, in OPVs or OFETs, the potential of semiconducting polymer material, especially its mechanical flexibility and high electrical conductivity, is not fully utilized in these types of devices. Therefore new electronic device, a pressure sensor, is fabricated based on nanopillar structures made of p-doped P3HT by a templating method. The highly flexible and conductive nanostructure was obtained by combining templating and chemical doping. Through utilizing the buckling behavior of nanopillars, the pressure sensor was constructed and used for the detection of finger movement and touch sensing with a robotic gripper. Besides, the templating process can be tuned by annealing conditions, that enable adjusting the length of nanopillars and thus sensing properties. Finally, the sensing mechanism was investigated by finite element modeling and Euler buckling theory.
In the second part, n-type doping in novel polymers was investigated. Generally, n-type doping has relatively limited reports since the n-doped state of commonly used polymers is readily oxidized by oxygen or water in air. A newly synthesized series of naphthalene diimide (NDI)-based conjugated polyelectrolytes (CPEs) contains cations in side chains, which stabilize the generated charge carriers. The stability of conductivity, spectroscopic characteristics, morphology, and the application of CPEs to interlayers in polymer solar cells (PSCs) were investigated. The polymer film showed air-stable high conductivity by introducing self-compensation doping and anion doping methods. The LUMO level of CPEs has a strong correlation with the conductivity in air and long-term stability. Moreover, the work function of the ITO cathode can be shifted by CPEs and the chemical doping, enabling a highly conductive, thick cathode interlayer, applicable to scalable film deposition methods, e.g., the blade-coating method.
For the outlook, various new applications can be realized by combining these techniques and materials for p-/n-doping systems. This research expands the utilization of semiconducting polymer as a nano-structurable, flexible, highly conductive, and air-stable component for future flexible electronics devices
In-situ Untersuchung der Rissausbreitung in Mikrochip-Strukturen mittels Röntgenmikroskopie
No full textThe 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.Die Motivation dieser Arbeit bestand darin, Risse in Bereiche von 3D- Nanostrukturen mit hoher Bruchzähigkeit zu lenken und die lokale kritische Energiefreisetzungsrate für die Rissausbreitung in 3D-Nanostrukturen zu bestimmen. On-chip Kupfer-Leitbahnstrukturen, die durch Organosilikatgläser isoliert sind, wurden als Beispielsystem für die Untersuchung des Bruchverhaltens in kleinen Bereichen ausgewählt, da dies ein gut definiertes 3D- nanostrukturiertes System ist und weil für Mikrochips eine hohe mechanische Robustheit gefordert wird. Ein Experiment für die hochauflösende in-situ 3D-Abbildung von 3D- Nanostrukturen und der Kinetik der Mikrorissausbreitung in Festkörpern wurde entwickelt und angewendet, wobei ein miniaturisierter mikromechanischer Test und hochauflösende Röntgenabbildung kombiniert wurden. Speziell wurde ein miniaturisierter Doppel- Cantilever-Beam-Testaufbau (Mikro-DCB) in ein Labor-Röntgenmikroskop integriert, und Nano-Röntgen-Computertomographie wurde zur hochauflösenden 3D- Abbildung der Mikrorissentwicklung im on-chip Leitbahnsystem von Mikrochips, die im 14 nm- Technologieknoten hergestellt wurden, angewendet. Die für mehrere Belastungsschritte während des Mikro-DCB-Tests gemessene Mikrorissgeometrie und die anschließende Datenanalyse auf Basis der linear-elastischen Bruchmechanik und des Euler- Bernoulli-Balkenmodells waren die Grundlage für die Entwicklung und Anwendung einer neuen Methodik zur quantitativen Ermittlung der kritischen Energiefreisetzungsrate für Rissausbreitung in sub-100-nm-Regionen eines prozessierten Wafers. Experimentell wurde nachgewiesen, dass sogenannte „guard ring“-Strukturen an der Peripherie der Mikrochips Energie so dissipieren, dass die Mikrorissausbreitung wirksam verlangsamt und schließlich gestoppt wird, d.h. sie verhindern eine mechanische Schädigung der Mikrochips. Es wurde gezeigt, dass es möglich ist, den Mikroriss durch Überlagerung der Bruchmoden an der Rissspitze kontrolliert zu steuern. Das aufgestellte Konzept zur kontrollierten Rissausbreitung bildet die Basis für weitere grundlegende Studien zum Bruchverhalten nanoskaliger Materialien und Strukturen. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Bruchmechanik in kleinen Skalen bei, z. B. in Mikrochips, aber auch in anderen nanostrukturierten Materialien, z. B. in bioinspirierten, hierarchisch strukturierten technischen Werkstoffen. Die experimentellen Ergebnisse, die an mikroelektronischen Produkten erhalten wurden, liefern wertvolle Informationen zur Kontrolle der Rissausbreitung in on-chip Leitbahnsystemen zur Herstellung mechanisch robuster Mikrochips in fortgeschrittenen Technologieknoten. Die Experimente zur kontrollierten Ausbreitung von Mikrorissen in Bereiche mit hoher Bruchzähigkeit liefern Informationen für das Design von „guard ring“-Strukturen in Mikrochips, um die Ausbreitung von Mikrorissen, die z. B. während des Vereinzelns des Wafers erzeugt wurden, zu stoppen
Spezielle Anwendungen der Transmissionselektronenmikroskopie in der Siliziumhalbleiterindustrie
No full textDie außerordentlichen Steigerungen der Funktionalität und Produktivität in der Halbleiterindustrie sind zum wesentlichen Teil auf eine Verkleinerung der Strukturdetails auf einer logarithmischen Skala über die letzten Jahrzehnte zurückzuführen. Sowohl zur Kontrolle des Fertigungsergebnisses als auch zur Klärung von Fehlerursachen ist die Nutzung transmissionselektronenmikroskopischer Methoden unabdingbar. Für die Zielpräparation von Halbleiterstrukturen sind Techniken unter Nutzung der Focused Ion Beam Geräte etabliert, die je nach der konkreten Aufgabenstellung variiert werden. Die Abbildung von Strukturdetails mit Abmessungen von wenigen Nanometern erfordert die Anwendung unterschiedlicher Kontrastmechanismen. Die Ergänzung der Abbildung durch die analytischen Techniken der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse und der Elektronenenergieverlustanalyse ist ein wertvolles Werkzeug bei der Klärung von Fehlerursachen oder bei prozesstechnischen Fragestellungen. Die Nutzung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie erlaubt die unmittelbare Kombination von Abbildung und Elementanalyse. Die lokale Verteilung von Dotierstoffen als wesentliche Grundlage für die Funktion von Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist nur über ihre Auswirkung auf die Phase der transmittierten Elektronenwelle nachweisbar. Mittels Elektronenholographie kann dieser Einfluss gemessen werden und das Prozessergebnis von Implantationen dargestellt werden. Für die Charakterisierung von Details, die kleiner als die Probendicken sind, die im TEM genutzt werden, ist die Anwendung der Elektronentomographie ein geeignetes Werkzeug. Dazu sind spezielle Präparations- und Abbildungsstrategien erforderlich.The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure
Controllable Synthesis of MXenes with Novel and Ordered Terminations
Full text linkTwo-dimensional (2D) transition metal carbides/nitrides, known as MXenes, have captured intensive attention owing to their promising applications in the areas of energy storage, (opto)electronics, environment, etc. However, the structures of MXenes reported to date mostly exhibit disordered surface terminations, which hinder the understanding of MXene properties, largely due to the limitations of synthetic methods. Recent research has underscored the pivotal role of surface terminations in shaping the intrinsic properties of MXenes. Therefore, this study primarily focuses on establishing new synthesis methods to produce MXenes with novel and ordered surface terminations. We first develop a eutectic molten salt synthesis strategy to obtain MXenes. Characterizations confirm that the synthesized MXenes exhibit ordered surface terminations composed of three layers of atoms in an 'O-B-O' arrangement. Contrasting with conventional Cl/O-terminated Nb2C with localized charge transport, OBO-terminated Nb2C features band transport described by the Drude model. Consequently, it results in notable 15-fold and tenfold enhancement in electrical conductivity and charge mobility, respectively. Furthermore, OBO-terminated Ti3C2 achieves a high Li+ storage capacity (420 mAh g−1), double that of Cl/O-terminated Ti3C2. Subsequently, we develop a triphasic reaction involving gas-liquid-solid (GLS) to obtain MXenes with impurity-free and controllably orchestrated halogen terminations (Cl, Br I or their mixture). This GLS method is experimentally demonstrated to show universality and controllability for MXene production (GLS-MXenes). Characterizations reveal that GLS-MXenes exhibit uniform halogen terminations, representing an ordered surface structure. Compared to ClO-Ti3C2 with mixed Cl-/O-terminations, GLS-Ti3C2Cl2 exhibits a 160-fold improvement in macroscopic charge transport and a 163-fold enhancement in photoconductivity. This improvement is attributed to uncontaminated Cl-terminations with high structural ordering, effectively mitigating strong electron trapping and backscattering. Lastly, GLS synthesis demonstrates the capability to controllably orchestrate terminations of MXenes with dual-halogen and triple-halogen terminations. Finally, we also validate the feasibility of using a post-conversion strategy to alter the terminations on MXene surfaces. By employing MXenes with I-terminations as precursors, the termination can be replaced to chalcogen elements (S, Se) or organic molecules (acetate, methylbenzylamine, thiol) using gas-phase or liquid-phase reactions. Our research contributes to the further expansion of 2D MXene family and paves the way for the controlled synthesis of MXenes and the construction of ordered surface structures on MXenes, as well as the potential to control the properties of MXenes in (opto)electronics and energy storage by tailoring the terminations.:Abstract V
List of Figures XI
List of Tables XIII
1 Chapter 1: Introduction and background 2
1.1 Overview of 2D transition metal and carbide/nitride (MXene) 2
1.1.1 Structure of MXenes 3
1.1.2 Properties and applications of MXene 6
1.2 Synthesis of MXenes 12
1.2.1 Top-down synthesis 12
1.2.2 Bottom-up synthesis 16
1.2.3 Challenges on MXenes synthesis 18
1.3 Surface chemistry of MXenes 19
1.3.1 The synthesis and types of terminations 20
1.3.2 The significant effect of terminations 23
1.3.3 Challenges on the surface chemistry of MXenes 27
1.4 Motivations and aims 28
1.5 References 32
2 Chapter 2: MXenes with Ordered Triatomic-Layer Borate Polyanion Terminations 38
2.1 Introduction 38
2.2 Methods 39
2.2.1 Chemicals 39
2.2.2 Synthesis of OBO-MXenes 40
2.2.3 Materials Characterizations 40
2.2.4 Charge transport properties measurements 42
2.2.5 Electrochemical property measurements 43
2.2.6 Computational studies 44
2.3 Results and discussion 44
2.3.1 Synthesis and structure of OBO-terminated MXenes 44
2.3.2 Atomic configuration of OBO-terminations 50
2.3.3 Charge-transport properties 54
2.3.4 Ultrahigh Li+-hosting capacity 60
2.3.5 Conclusion 66
2.4 References 67
3 Chapter 3: Triphasic synthesis of MXenes with impurity-free and controllably orchestrated halogen terminations 70
3.1 Introduction 70
3.2 Methods 72
3.2.1 Chemicals 72
3.2.2 Synthesis of GLS-MXenes 72
3.2.3 Materials Characterizations 73
3.2.4 Charge transport properties measurements 74
3.2.5 Computational studies 75
3.3 Results and discussion 76
3.3.1 Synthesis of MXenes with mono-halogen terminations 76
3.3.2 Structural analysis of MXenes 81
3.3.3 Terminations with high purity 85
3.3.4 Significance of impurity-free halogen terminations 87
3.3.5 Synthesis of MXenes with controllably orchestrated halogen terminations 90
3.3.6 Conclusion 92
3.4 References 93
4 Chapter 4: Post-conversion reactions for MXene termination substitution 96
4.1 Introduction 96
4.2 Chemicals 97
4.2.1 Synthesis 97
4.2.2 Materials Characterizations 98
4.3 Results and discussion 98
4.3.1 Post-conversion to synthesize chalcogen terminations 98
4.3.2 Structure of chalcogen-terminated MXenes 100
4.3.3 Post-conversion to synthesize organic terminations 102
4.3.4 Structures of organic-terminated MXenes 103
4.3.5 Conclusion 106
4.4 References 107
5 Summary and outlook 108
5.1 Summary 108
5.2 Outlook 109
5.3 References 112
Acknowledgment 114
Versicherung 116
Attachment: publication
Phase formation and size effects in nanoscale silicide layers for the sub-100 nm microprocessor technology
Full text linkSilizide spielen ein wesentliche Rolle in den technologisch fortschrittlichsten CMOS Bauteilen. Sie finden Verwendung als Kontaktmaterial auf den Aktivgebieten und dem Silizium Gatter von Transistoren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Systemen: Co-Si, Co-Ni-Si und Ni-Si. Sowohl in situ Hochtemperatur-SR-XRD Experimente als auch CBED wurden zur Phasenidentifikation herangezogen. AES erlaubte es, Elementverteilungen in Schichtstapeln zu bestimmen. Für Studien über Agglomerationserscheinungen wurde REM eingesetzt. TEM und analytisches TEM trugen nicht nur zu Einblicken in Schichtstrukturen und Kornformen bei, sondern lieferten auch Daten zu Elementverteilungen in Silizidschichten. Diese Dissertation gliedert sich in zwei Hauptteile. Der erste Teil beschäftigt sich mit den Phasenbildungsabfolgen und den Phasenbildungs- und Umwandlungstemperaturen in nanoskaligen dünnen Schichten. Als Trägermaterial wurden einkristalline und polykristalline Siliziumsubstrate verwendet. Der Einfluß verschiedener Dotierungen im Vergleich zu undotierten Substraten sowie die Beeinflussung der Silizidierung durch eine Deckschicht wurden untersucht. Im zweiten Teil waren Größeneffekte verschiedener Schichtdicken und Agglomerationserscheinungen Gegenstand von Untersuchungen. Unterschiede bei der Silizidierung in Zusammenhang mit unterschiedlichen Schichtdicken wurden bestimmt. Darüberhinaus wurde eine ternäre CoTiSi Phase gefunden und identifiziert. Außerdem konnte die stark eingeschränkte Mischbarkeit der Monosilizide CoSi und NiSi gezeigt werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von NiSi im Temperaturbereich 400?700°C und sein nicht-lineares Verhalten wurden bestimmt.Silicides are an essential part of state-of-the-art CMOS devices. They are used as contact material on the active regions as well as on the Si gate of a transistor. In this work, investigations were performed in the systems Co-Si, Co-Ni-Si, and Ni-Si. In situ high temperature SR-XRD and CBED techniques were used for phase identification. AES enabled the determination of elemental concentrations in layer stacks. SEM was applied to agglomeration studies. TEM imaging and analytical TEM provided insights into layer structures, grain morphology as well as information about the distribution of chemical elements within silicide layers. This thesis is divided into two main parts. The first part deals with the phase formation sequences and the phase formation and conversion temperatures in nanoscale thin films on either single crystal or polycrystalline Si substrates. The effect of different types of dopants vs. no doping and the impact of a capping layer on the phase formation and conversion temperatures were studied. In the second part, size effects and agglomeration of thin silicide films were investigated. The effect of different layer thicknesses on the silicidation process was studied. Additionally, the degree of agglomeration of silicide films was calculated. Furthermore, the ternary CoTiSi phase was found and identified as well as the severely limited miscibility of the monosilicides CoSi and NiSi could be shown. The CTE of NiSi between 400?700 ±C and its non-linear behavior was determined
Revealing the Morphology of Small Molecule Organic Solar Cell by Electron Microscopy
Full text linkDie steigende Nachfrage nach erneuerbarer elektrischer Energie erfordert neue photovoltaische Technologien. Effiziente organische Solarzellen mit gemischten, absorbierenden organischen Molekülen wandeln Sonnenlicht in Elektrizität um und die jüngsten Rekorde des Wirkungsgrads zeigen das Potenzial für eine alternative Energieerzeugung. Trotz dieser Durchbrüche führt die Verwendung komplexer organischer Moleküle, die zu einer selbstorganisierten Absorberschicht zusammengemischt werden, zu komplizierten Morphologien, die bisher nur unzureichend abgebildet werden konnten. Die Morphologie hat jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die Umwandlung von Photonen in Elektronen und auf den Photostrom, was sich auf die Gesamtleistung der Solarzelle auswirkt.
Diese Dissertation ist eine Studie über die Morphologie organischer Dünnfilm-Mischschichten in verschiedenen organischen Solarzellen unter Verwendung analytischer Elektronenmikroskopietechniken (REM, TEM, EDX). In einem weiteren Schritt werden auch die Einflüsse der Mikrostruktureigenschaften dieser im Vakuum abgeschiedenen organischen Solarzellen auf ihre elektronischen Eigenschaften untersucht. Diese Studie umfasst bekannte Zinkphthalocyanin- (ZnPc) und Fulleren (C60) Mischschichten (ZnPc:C60) sowie neu entwickelte Materialien, DTDCTB und NGX gemischt mit C60. Auf mikroskopischer Skala wurde der Einfluss der Abscheidung der oben genannten Schichten auf unterschiedlich erhitzte Substrate, sowie deren Auswirkungen auf die elektronische Leistungsfähigkeit untersucht.
Es wurden drei sehr unterschiedliche Wachstumssysteme beobachtet:
• Filme mit guter Phasentrennung (ZnPc:C60)
• Gut gemischte dünne Schichten (DTDCTB:C60)
• Selbstorganisierende Nanodrähte (NGX:C60)
Um die gewachsene Mikrostruktur zu erklären werden thermodynamische Modelle zur Erklärung der experimentellen Ergebnisse eingesetzt. Diese Arbeit bietet daher einen Rahmen, der die Planung zukünftiger Experimente leiten kann. Für die in dieser Arbeit untersuchten Schichtsysteme konnte die Korrelation zwischen den Präparationsbedingungen und der Leistungsfähigkeit der Solarzellen durch die beobachtete Mikrostruktur und die Phasenseparation von Donor und Akzeptor gut erklärt werden.:1 MOTIVATION AND INTRODUCTION 5
2 THEORETICAL FUNDAMENTALS
2.1 BASICS OF ORGANIC SOLAR CELLS
2.1.1 Organic semiconductors materials
2.1.2 Working principle of organic solar cells
2.1.3 Characteristic curves of solar cells
2.1.4 Concept of bulk heterojunction
2.1.5 Morphology and phase separation
2.2 RELEVANT LENGTH SCALES IN THE STUDY OF ORGANIC SOLAR CELLS
2.3 THE SCANNING ELECTRON MICROSCOPE
2.3.1 Introduction and working principle
2.3.2 Interaction of primary electrons with sample
2.3.3 Detecting SE and BSE electrons
2.3.4 SEM tool with FIB
2.4 THE TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE
2.4.1 Working principle and components of TEM
2.4.2 Scattering in TEM
2.4.3 Operation modes in TEM
2.5 ANALYTICAL ELECTRON MICROSCOPY
2.5.1 EDX in TEM
2.5.2 EDX with high-tech detectors
2.6 CHALLENGES OF ELECTRON MICROSCOPY ON ORGANIC MATERIALS
2.6.1 Contrast formation and electron scattering
2.6.2 Damage induced by electron beam
2.6.3 Contrast formation and electron scattering
2.6.4 Necessity of low energy microscopy
3 MATERIALS AND METHODS
3.1 DONORS AND ACCEPTOR
3.1.1 The donor ZnPc
3.1.2 The donor DTDCTB
3.1.3 The donor NGX
3.1.1 The acceptor C60
3.2 FABRICATION OF ORGANIC SOLAR CELL DEVICES AND THIN FILMS
3.2.1 Vacuum deposition
3.2.2 Solar cell devices
3.2.3 Electrical Characterization
3.2.4 Organic thin films on the substrate
3.3 ELECTRON MICROSCOPES AND SAMPLE PREPARATION
3.3.1 Cross-sections using focused ion beam
3.3.2 Experimental details used in TEM/SEM
4 RESULTS AND DISCUSSIONS
4.1 ZNPC AS DONOR MATERIAL
4.1.1 Morphology of ZnPc:C60 thin films
4.1.2 Solar cell devices with ZnPc:C60 active layer
4.1.3 Conclusions and discussion
4.2 DTDCTB AS DONOR MATERIAL
4.2.1 Peculiar performance of the solar cell
4.2.2 Morphology of DTDCTB:C60 thin films
4.2.3 Solar cell devices with DTDCTB:C60 active layer
4.2.4 Conclusions and discussion
4.3 NGX AS DONOR MATERIAL
4.3.1 Morphology of NGX:C60 thin films
4.3.2 Conclusions and discussion
5 CONCLUSION AND OUTLOOK
6 APPENDIX
A1 NEAREST NEIGHBOR DISTANCE
A2 FROM DARK FIELD TEM IMAGES TO THE ELEMENTAL MAP
A3 COMPARING THE COMPOSITION OF DARK AND BRIGHT POINTS IN THE EDX-ELEMENTAL
A4 ROUGHNESS MEASUREMENTS FROM EDX IMAGES
A5 SPECTROSCOPY MEASUREMENTS ON DTDCTB:C60
7 LISTS
7.1 ABBREVIATIONS
1.: Acronyms
B2.: Materials
B3.: Symbols
7.2 LIST OF FIGURES
7.3 LIST OF TABLES
BIBLIOGRAPH
Carbon Nanotube Devices
Full text linkEine Reihe wichtiger Wachstums- und Integrationsaspekte von Kohlenstoff-Nanoröhren wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Der Schwerpunkt der experimentellen Arbeit lag dabei hauptsächlich bei einschaligen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT). Das große Potential dieser Nanoröhren für Transistor-Anwendungen wurde durch die Herstellung einer Vielzahl funktionierender Bauelemente aus diesen Kohlenstoffnanoröhren mittels relativ einfacher Herstellungsprozesse demonstriert. Ein fundiertes Verständnis für die Abhängigkeiten des Nanoröhrenwachstums von einer Vielzahl an Parametern wurde mit Hilfe mehrerer tausend Wachstumsexperimente gesammelt. Verschiedene Katalysatormetalle, Kohlenstoffquellen und Katalysatorunterlagen wurden detailliert untersucht. Ein Hauptaugenmerk wurde dabei auf eine Reduzierung der Wachstumstemperatur gerichtet. Die niedrige Wachstumstemperatur spielt eine große Rolle für eine möglichst hohe Kompatibilität mit konventionellen Herstellungsverfahren der Silizium-Halbleitertechnik. Ein einfaches phänomenologisches Wachstumsmodell wurde für die Synthese von Nanoröhren mittels katalytisch-chemischer Gasphasen-Abscheidung (CCVD) formuliert. Dieses Modell basiert hauptsächlich auf der Oberflächendiffusion von adsorbierten Kohlenstoffverbindungen entlang der Seitenwände der Nanoröhren sowie auf der Oberfläche der Katalysatorunterlage. Das Modell ist eine wichtige Ergänzung zu dem VLS-Mechanismus. Ein Wachstumsverfahren zur Herstellung von Nanoröhren für niedrigere Temperaturen bis zu 600 °C wurde entwickelt. Experimentell wurde nachgewiesen, dass der Durchmesser des Katalysatorteilchens fast ausschließlich bestimmt, wie viele Schalen eine wachsende Nanoröhre bei geeigneten Wachstumsbedingungen hat. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass einschalige Kohlenstoffnanoröhren auf Metallelektroden wachsen werden können, insofern eine dünne Aluminiumschicht als Trennschicht verwendet wird. Dadurch können in-situ kontaktierte Nanoröhren einfach hergestellt werden, was deren elektrische Charakterisierung weitaus erleichtert. Mittels stromloser Abscheidung von Nickel oder Palladium aus einer Lösung konnte eine deutliche Verbesserung der Kontaktwiderstände der in-situ-kontaktierten Nanoröhren erreicht werden. Durch Einbettung von Nanoröhren in eine Tantaloxidschicht konnten Transistoren mit einem Dielektrikum mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante hergestellt werden. Die Tantaloxidschicht wurde mit einem neu entwickelten Tauchprozess abgeschieden. Erstmalig wurden Transistoren basierend auf Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, die relativ hohe Ströme (Milliampere) mit einer Modulation bis zu einem Faktor 500 schalten können. Diese Transistoren beruhen auf einer Parallelschaltung einer großen Anzahl an Nanoröhren. Mit Hilfe der hergestellten Transistoren konnten die Eigenschaften einer großen Zahl von Nanoröhren untersucht werden, wobei große Unterschiede in den elektronischen Eigenschaften von metallischen Nanoröhren, halbleitenden Nanoröhren und Nanoröhren mit einer kleinen Bandlücke beobachtet wurden.A number of very important growth and integration aspects of carbon nanotubes have been investigated during the course of this thesis. The focus was mainly on single-walled carbon nanotubes. Their potential for transistor applications was demonstrated by the successful fabrication of a variety of devices using rather simple processes. A detailed understanding of the dependence of SWCNT growth on a variety of parameters was obtained as the result of several thousand growth experiments. Various catalyst materials, gaseous carbon sources, and catalyst supports have been investigated. Special attention was paid to a considerable reduction of the growth temperature. A simple phenomenological growth model could be derived for CCVD of SWCNTs taking into account a number of effects observed during the various growth experiments. The model presented is mainly based on the surface diffusion of carbon species along the sidewalls of the carbon nanotubes or on the catalyst support and is an addition to the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism. Growth methods for the CCVD synthesis of SWCNTs were developed for temperatures as low as 600 °C. It has been found that the size of the catalyst particle alone determines whether a SWCNT, DWCNT, or MWCNT will nucleate from a specific particle under suitable growth conditions. It could be demonstrated for the first time that SWCNTs can be grown on a variety of conducting materials if the catalyst is separated from the electrode by a thin Al layer. In-situ contacted SWCNTs can be easily obtained that way, largely facilitating the electronic characterization of as-grown SWCNTs. A tremendous improvement of the contacts of in-situ contacted SWCNTs could be achieved by electroless deposition. SWCNT growth on appropriate electrodes allowed the encapsulation of the nanotubes by electroless deposition of Ni and Pd, yielding good and reliable contacts. SWCNT transistors with a high-k dielectric could be fabricated by encapsulation of the nanotube with a tantalum oxide layer. The tantalum oxide was deposited by a newly developed dip-coat process. High-current SWCNT transistors consisting of a large number of SWCNTs in parallel were demonstrated for the first time during this work. Finally, the properties of a large number of CCVD grown SWCNTs have been investigated by electronic transport measurement. Large differences in the electronic transport have been observed for metallic, small band gap semiconducting (SGS), and semiconducting SWCNTs with small diameters
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