Investigation of the influence of surface treatments on amorphous zinc oxide films, processed at temperatures around 120°C, to control the transport energy levels and charge transport properties (e.g. switch n- to p-type) for the application in photovoltaic-, LED-, and transistor devices on flexible substrates.
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsstipendiums wurden an der University of California, Santa Barbara elektrische und elektrochemische Effekte an der Oberfläche von amorphen Zinkoxid Dünnschichten (a-ZnO) erforscht. Zum einen, konnten die Eigenschaften der Oberflächenbehandlung durch Tauchbehandlung in wässrigem Ammoniumsulfid beschrieben werden und damit ein Prozess zur Verfügung gestellt werden, der über die Immersionsdauer den oberflächlichen Schwefelanteil in anionisch substituiertem a-ZnO einstellbar macht. Die so erhaltenen Schwefeldotierten ZnO Schichten wurden mit optischer- und Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS), sowie elektrischer Messung des Injektionsverhaltens charakterisiert. Zum anderen konnte in diesem Projekt die Wechselwirkung der a-ZnO Oberfläche mit ionischen Flüssigkeiten untersucht werden. Ergebnisse dieser Untersuchung sind die Messung der effektiven Leitungsband Zustandsdichte und die feldabhängige Ladungsträgerbeweglichkeit bei sehr hohen Feldern (20 MV/cm). Es wurde gezeigt, dass die Kombination dieser Analysen erlaubt, durch Unterscheidung verschiedener Transportmodelle, schwache Kristallinität gegen die amorphe Phase abzugrenzen. Außerdem wurden in diesem Zusammenhang übliche analytische Transistormodelle besprochen und in ein allgemeines Modell übersetzt. Ein weiteres dominantes Thema in der Anwendung ionischer Flüssigkeiten war die Abgrenzung von elektrochemischem gegen das elektrostatische Verhalten innerhalb der elektronischen Doppelschicht (EDL). Für a-ZnO EDL Transistoren und MIS-Kapazitäten konnte der elektrochemische Effekt auf die Bauteileigenschaften gezeigt werden und speziell auf die chemische Instabilität von Goldelektroden bei cyanidhaltigen ionischen Flüssigkeiten eingegangen werden. Die festgestellte Cyanisierung von Gold geht einher mit der reduzierenden Wirkung des Imidazolium Kations, die zur Produktion von Superoxid und anderen sekundären sauerstoffbasierten Radikalen in der Flüssigkeit führt. Durch die breite Anwendung von voltemmetrischen Methoden und XPS, konnten die entsprechenden chemischen Reaktionsmechanismen formuliert werden. Da bei der elektrochemischen Zersetzung von a-ZnO, in elektrisch polarisierten ionischen Flüssigkeiten, Sauerstoffradikale eine besondere Rolle spielen, wurden organische Antioxidantien als Additive untersucht. Dabei hat sich Gallotannin also besonders wirksam herausgestellt, um a- ZnO vor der elektrochemischen Zersetzung zu schützen. Als wesentlicher Mechanismus wurde die Speicherung von Sauerstoffradikalen in einer Reihe von Gleichgewichtsreaktionen in den an der Grenzschicht lokalisierten Gallolgruppen identifiziert. Diese Verfügbarkeit von reaktivem Sauerstoff ermöglicht eine schnelle Selbstheilung, sobald das externe elektrische Potential unter eine bestimmte Schwelle fällt. Dieser Mechanismus hat zu einer überraschend stabilen Hysterese in EDL Transistoren geführt und es konnte aus einem einfachen Impedanzwandler, der nur aus einem aktiven Bauteil besteht ein Schmitt-Trigger hergestellt werden. Die Funktion des Schmitt-Triggers konnte bei bis zu 100 Hz und in einem zwei-Bit Analog/Digital-Wandler demonstriert werden und das Funktionsprinzip in einer Patentanmeldung verwertet werden. Über a-ZnO hinaus wurden in diesem Projekt auch andere Oxide wie NdNiO3 und Indium- Gallium-Zinkoxid untersucht, sowie eine Reihe von organischen Halbleitern. Für den Mott Isolator NdNiO3 konnte gezeigt werden, dass die elektrostatische Modulation der Metall-Isolator Übergangstemperatur auch bei äußerst sorgfältiger Versuchsführung nicht eindeutig von elektrochemischer Modulation unterschieden werden kann. Für organische Halbleiter konnte für eine Polythiophenverbindung exemplarisch geklärt werden, ob durch Polarisation einer Grenzschicht zu einer ionischen Flüssigkeit, eine oberflächliche elektrostatische Dotierung, eine Infiltration und elektrostatische, oder elektrochemische Dotierung vorliegt. Hierzu wurde eigens eine in situ elektrische Charakterisierungsmethode für die Streifende Kleinwinkel Röntgenbeugung (GIWAXS) entwickelt.
Publications
- “Ionic liquid gating reveals trap-filled limit mobility in low temperature amorphous zinc oxide”, Appl. Phys. Lett., 2013, 103, 1025102-1025106
S. Bubel, S. Meyer, F. Kunze, M.L. Chabinyc
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4824022) - “Model for determination of mid-gap states in amorphous metal oxides from thin film transistors”, J. Appl. Phys., 2013, 113, 2345007-2345016
S. Bubel, M.L. Chabinyc
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4808457) - “Stability of Ionic Liquid Gated Metal Oxides and Transistors”, IEEE Trans. Electron Dev., 2014, 61, 1061-1066
S. Bubel, S. Meyer, M.L. Chabinyc
(See online at https://doi.org/10.1109/TED.2014.2308141) - “Schmitt trigger using a self-healing ionic liquid gated transistor”, Adv. Mater., Vol 27 Issue 21, June 3, 2015, Pages 3331-3335
S. Bubel, M. Menyo, T.E. Mates, J.H. Waite, M.L. Chabinyc
(See online at https://doi.org/10.1002/adma.201500556) - “The electrochemical impact on electrostatic modulation of the metal-insulator transition in nickelates”, Applied Physics Letters 106 (12), 122102, 2015
S. Bubel, A.J. Hauser, A. Glaudell, T.E. Mates, S. Stemmer, M.L. Chabinyc
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4915269)
