Μελέτη της χημικής σύστασης και της ηλεκτρονιακής δομής λεπτών υμενίων οξειδίων για εφαρμογές σε διατάξεις μικροηλεκτρονικής με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων

• Κύριος συγγραφέας: Δρίβας, Χαράλαμπος
• Άλλοι συγγραφείς: Κέννου, Στυλιανή
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: English
• Έκδοση: 2019
• Θέματα: Φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων; Ενεργειακά διαγράμματα; Επιστήμη επιφανειών; Διεπιφάνειες; Κάμψη ενεργειακών ζωνών; Οξείδια υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς; Μικροηλεκτρονική; Photoelectron spectroscopies; Energy diagrams; Surface science; Interfaces; Band bending; XPS; UPS; High-k oxides; Microelectronics; 541.33

Η μικροηλεκτρονική είναι ένας συνεχώς αναπτυσσόμενος τομέας, ξεπερνώντας καθημερινά τα όριά του. Οι εφαρμογές της είναι πολυάριθμες, από συσκευές υψηλής τεχνολογίας έως καθημερινές, όπως το “έξυπνο” κινητό τηλέφωνο, το οποίο αντικατοπτρίζει την ταχεία εξέλιξη της μικροηλεκτρονικής τα τελευταία χρόνια. Επιπλέον, τέτοιες τεχνολογίες αιχμής χρησιμοποιούνται σε ηλιακά κύτταρα για να μεγιστοποιήσουν την απόδοσή τους για να παρέχουν επαρκή και βιώσιμη ενέργεια. Η τάση στις μέρες μας είναι να κατασκευάσουμε συστοιχίες όσο το δυνατόν μικρότερες ώστε να χωρούν όσο το δυνατόν περισσότερες σε μια συσκευή. Ως εκ τούτου, κάθε στρώμα που αποτελεί τη συστοιχία γίνεται όλο και μικρότερο, μέχρι και τη νανο-κλίμακα. Αυτό οδηγεί στα φαινόμενα επιφάνειας να κυριαρχούν και οι διεπιφάνειες να είναι "μέρος" της συσκευής. Για την καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων των επιφανειών και των διεπιφανειών των οξειδίων που χρησιμοποιούνται σε τέτοιες εφαρμογές, οι φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ και υπεριώδες (XPS και UPS αντίστοιχα) χρησιμοποιήθηκαν ως δύο συμπληρωματικές τεχνικές υψηλής επιφανειακής ευαισθησίας. Το XPS παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη χημική σύνθεση της επιφάνειας του δείγματος έως περίπου 10 nm βάθος. Το βάθος ανάλυσης της τεχνικής UPS είναι περίπου 1-2 nm και παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ηλεκτρονική δομή της επιφάνειας. Πρώτον, διεξήχθη μια μελέτη σχετικά με το στρώμα εξαγωγής ηλεκτρονίων (EEL) οργανικών ηλιακών κυττάρων κατά την πρόσμιξή του με ελαφρά και βαρέα μέταλλα σε διαφορετικές νανοδομές. Οι προσμίξεις είναι ένας τρόπος για να ρυθμιστούν οι επιθυμητές ιδιότητες, ανάλογα με το ποσοστό τους, επιτρέποντας τη σχεδίαση του EEL. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν υμένια ZnO με προσμίξεις Li (0%, 2%, 5% και 10%) και νανοσύρματα ZnO με προσμίξεις Sn (0%, 1%, 2% και 3%). Οι καλή διασπορά των προσμίξεων στο ZnO επιβεβαιώθηκε με XPS και από τα φάσματα UPS, ανιχνεύθηκε μία ελαφρά μεταβολή του έργου εξόδου (WF) των δειγμάτων με πρόσμιξη Li, ενώ για τα υποστρώματα που υπήρχε πρόσμιξη Sn καταγράφηκε περαιτέρω υβριδισμός των τροχιακών του Zn, ανάλογο με το ποσοστό των προσμίξεων. Για το δεύτερο μέρος, παρασκευάστηκαν διεπιφάνειες μεταξύ υπέρλεπτων υμενίων οξειδίων ευρέως χρησιμοποιούμενων (Al2O3, HfO2, ZrO2, Ta2O5 και ZnO) και υποστρωμάτων οξειδίων (TiO2 και ZnO) με εναπόθεση ατομικού στρώματος (ALD). Τέτοιες διεπιφάνειες χρησιμοποιούνται σε οργανικά φωτοβολταϊκά ως ένα πρόσθετο στρώμα μεταξύ του EEL και της οργανικής ένωσης, καθώς και σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μεταλλικού οξειδίου-ημιαγωγού (MOSFET) ως υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Μελετήθηκαν μέσω XPS, προκειμένου να διερευνηθεί η αλληλεπίδρασή των υμενίων με το υπόστρωμα, εάν υπάρχει, και τα ενεργειακά φράγματα στα οποία υπόκεινται τα ηλεκτρόνια και οι οπές, με τη βοήθεια του μοντέλου των Kraut et al. Τέλος, παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν με XPS φωτοκαταλύτες ΒiVO4 με μεταβλητή περιεκτικότητα Co (0, 0.5 και 1.0 % κατά βάρος) για να προσδιοριστεί η χημική κατάσταση του CoOx και να υπολογιστούν οι σχετικές μετατοπίσεις των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας στη διεπαφή. Το οξείδιο του Co πιστοποιήθηκε ως Co3O4 και οι σχετικές μετατοπίσεις των ζωνών προωθούσαν τον διαχωρισμό των ηλεκτρονίων και των οπών, όπως ήταν επιθυμητό. Επιπλέον, δείχθηκε ότι το μοντέλο των Kraut et al., το οποίο παραδοσιακά χρησιμοποιείται για μικροηλεκτρονικές συσκευές, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άλλες εφαρμογές, όπως η φωτοκατάλυση.