Nebatti Ech-Chergui, Abdelkader:

Functional doped metal oxide films : zinc oxide (ZnO) as transparent conducting oxide (TCO), titanium dioxide (TiO 2) as thermographic phosphor and protective coating

Duisburg, Essen (2011), 117 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Dotierte Metalloxide erfahren ein großes Interesse in der Forschung und Entwicklung neuer Materialien wie zum Beispiel als transparente, leitende Oxide (TCOs, transparent conducting oxides), thermographische Phosphore und als Schutzfilme. Die hier vorgestellten Arbeiten befassen sich mit zwei sehr viel versprechenden Oxiden: Zinkoxid und Titandioxid. Diese Materialien sind in den Fokus einer Reihe von Forschungsvorhaben gekommen, da sie für eine Vielzahl möglicher Anwendungen interessant sind. Zinkoxid (ZnO) ist ein II-VI Verbindungshalbleiter mit einer breiten Bandlücke von 3,37 eV bei Raumtemperatur. Aufgrund dieser breiten Bandlücke ist es sowohl für LED als auch für Laser Anwendungen geeignet. Aluminium-dotiertes ZnO entwickelt sich zu einer möglichen Alternative zu Indium-Zinnoxid-Filmen als TCO aufgrund seiner niedrigen Kosten, hoher elektrischer Leitfähigkeit, hoher optischer Transparenz und chemischer Stabilität. Eine Reihe unterschiedlicher Abscheidungsverfahren wurden in den letzten Jahren erforscht, um ihre Eignung zur industriellen Anwendung zu bewerten. In dieser Arbeit wurde die Metall-organische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD, metalorganic chemical vapor deposition) verwendet, was eine sehr viel versprechende Methode zur Herstellung von dotierten und undotierten ZnO-Schichten ist. Undotierte und Al-dotierte ZnO Schichten wurden mit zwei unterschiedlichen Reaktoren hergestellt: einerseits mit einem Halogen-Reaktor, was eine Art von Kaltwandreaktor ist, und andererseits mit einem Heißwandreaktor. Die beiden Verfahren wurden auf Basis der Eigenschaften der produzierten Schichten miteinander verglichen. Zink-acetylacetonat wurde als Vorläufer für die ZnO-Schichten verwendet, während Aluminium -acetylacetonat zur Dotierung benutzt wurde. Diese Vorläufer sind kostengünstig, so dass günstige Schichten produziert werden können. Die Menge an Al-Dotierung kann durch den Gasdurchfluss kontrolliert werden. Gutgeordnete Schichten mit einem Aluminiumgehalt zwischen 0 und 8 % wurden auf Borosilikatglas und auf Silizium abgeschieden. Die Schichten hatten eine Dicke zwischen 0,3 und 0,5 µm und waren hochtransparent und reproduzierbar. Die Wachstumsrate von ZnO-Schichten ist geringer im Halogenreaktor im Vergleich zum Heißwandreaktor. Im Halogenreaktor waren die ZnO Schichten gut entlang der c-Achse ((002) Ebene) orientiert. ZnO-Schichten sind üblicherweise entlang der c-Achse orientiert aufgrund der dann geringen freien Oberflächenenergie. Auf der anderen Seite sind die Heißwandreaktor-Schichten polykristallin und mit Al-Dotierung entlang der a-Achse ((001) Ebene) orientiert, was seltener beobachtet wird. Die besten Schichten wurden mit dem Halogenreaktor realisiert. Diese haben einen minimalen elektrischen Widerstand von 2,4 m\Omegacm und eine optische Durchlässigkeit von ca. 80% im sichtbaren Bereich. Die Ergebnisse für die Al-dotierten Schichten aus dem Halogenreaktor sind vielversprechend für eine Nutzung als TCO. Das zweite Material, was in dieser Arbeit untersucht wurde, ist dotiertes und undotiertes Titandioxid (TiO2). Dabei wurde sowohl die Herstellung als auch die Charakterisierung der Schichten betrachtet. Es ist weithin bekannt, das thermographische Phosphore als optische Methode zur Oberflächentemperaturmessung eingesetzt werden können. Für diese Anwendung werden die Temperatur abhängigen Lumineszenzeigenschaften von Eurorpium-(III)-dotieren TiO2 Schichten untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass nur die Europium-dotierten Anatas-Schichten eine Phosphorenz aufweisen, wohingegen die Rutil-Phase nicht phosphoresziert. Die Filme wurde mit einer Sol-Gel-Methode hergestellt. Die Struktur der Filme wurde mittels Röntgenstrahlen analysiert. Die Anregungs- und Emissionsspektren legen nahe, dass die rote charakterisches Emission von TiO2: Eu3+ aufgrund des Dipolübergangs nach einer Anregung im UV Bereich am stärksten ist. Die Abklingzeit der Phosphoreszenz nach der Anregung mit einem Nd:YAG Laser (355mm, f=10Hz) ist im Bereich von 200°C bis 400°C temperaturabhängig. Die Ergebnisse zeigen, dass Europium-dotiertes Anatas als ein thermographischer Phosphor in diesem Temperaturbereich angesehen werden kann. Außerdem wurde gezeigt, dass die Phosphoreszenzlebensdauer eine signifikante Abhängigkeit von der Europiumkonzentration hat. Titanoxidschichten sind außerdem interessant als Schutzschichten. Ihre Eignung als Schutzschicht wurde anhand der Rutil-Phase von TiO2 auf Edelstahlproben untersucht. Normalerweise haftet Rutile nicht gut an Edelstahlproben. Um die Haftung zu verbessern, wurden die Proben zunächst mit Titan beschichtet, wobei Vakuumkathaporese verwendet wurde. Durch thermische Oxidation wurden diese Titanschichten teilweise in die rutile Phase von Titandioxid umgewandelt. Mithilfe von XRD wurde gezeigt, dass diese Filme aus der Rutilen Phase von TiO2 und metallenem Titan bestehen. Kavitationserosion wurde erstmals benutzt, um die Haftungseigenschaften dieser Schichten zu untersuchen. Dabei konnte bestätigt werden, dass rutile Schichten mit einer Ti-Zwischenschicht sehr gut an Edelstahl haften und die Probe vor Erosion schützen. Der Gesamtmassenverlust der thermisch oxidierten Ti-beschichteten Edelstahlproben war ca. 3,5 mal niedriger als der der unbeschichteten Proben.