Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12070
Title: Μελέτη της χημικής σύστασης και της ηλεκτρονιακής δομής λεπτών υμενίων οξειδίων για εφαρμογές σε διατάξεις μικροηλεκτρονικής με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων
Other Titles: Determination of the chemical composition and electronic structure of oxide thin-films with applications in microelectronic devices by photoelectron spectroscopies
Authors: Δρίβας, Χαράλαμπος
Keywords: Φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων
Ενεργειακά διαγράμματα
Επιστήμη επιφανειών
Διεπιφάνειες
Κάμψη ενεργειακών ζωνών
Οξείδια υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς
Μικροηλεκτρονική
Keywords (translated): Photoelectron spectroscopies
Energy diagrams
Surface science
Interfaces
Band bending
XPS
UPS
High-k oxides
Microelectronics
Abstract: 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.
Abstract (translated): Microelectronics is a continuously developing field, overcoming its limits every day. Its applications are numerous, ranging from high-tech devices to everyday ones, such as the smartphone, which reflects the rapid development of microelectronics the recent years. What’s more, state of the art arrays are used in solar cells to maximize their efficiency to provide sufficient sustainable energy. The trend nowadays is to make arrays as small as possible in order to fit as many of them in a device as possible. Hence, each layer constituting the array is getting smaller as well, up to the nanometer scale. This leads to surface phenomena being dominant and interfaces being “part” of the device. In order to have a better insight to the properties of the surfaces and interfaces of common oxides used in such applications, the X-ray and Ultra-violet Photoelectron Spectroscopies (XPS and UPS respectively) were implemented as two complementary highly surface sensitive techniques. XPS provides information about the chemical composition of the sample’s surface from up to 10 nm in depth. UPS depth analysis is about 1-2 nm and it provides information about the electronic configuration of the surface. First, a study has been carried out considering the Electron Extraction Layer (EEL) of organic solar cells upon doping with light and heavy metals in different nanostructures. Doping is a way to properly tune the desired properties, depending of the doping level, enabling the engineering of the EEL. More specifically, Li-doped ZnO films (0%, 2%, 5% and 10% Li) and Sn-doped ZnO (0%, 1%, 2% and 3% Sn) nanowires were studied by XPS and UPS, varying the doping levels. The doping of ZnO was confirmed by XPS and from the UP spectra, a slight variation of the Work Function (WF) of the Li-doped samples was detected, whereas for the Sn-doped ones further hybridization of the Zn orbitals was recorded upon doping. For the second part, several interfaces between widely used ultra-thin oxide films (Al2O3, HfO2, ZrO2, Ta2O5 and ZnO) and oxide substrates (TiO2 and ZnO) were prepared by Atomic Layer Deposition (ALD). Such interfaces are used in organic solar cells as an addition layer between the EEL and the organic compound and in Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistors (MOSFETs) as high-k dielectrics. They were studied by XPS, in order to investigate their possible interaction and the barriers imposed to the electrons and holes by the means of the Kraut et al. method. Lastly, CoOx - promoted BiVO4 photocatalysts of variable Co content (0, 0.5 and 1.0 wt.%) were synthesized and studied by XPS in order to identify the chemical state of the CoOx and to calculate the Conduction and Valence Band offsets at the interface. The Co oxide was identified as Co3O4 and the offsets promoted separation of the electrons and holes, as desired. What’s more, it was shown that the Kraut et al. method, which is traditionally used for microelectronic devices, can be used in other applications, such as photocatalysis.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Drivas_master.pdf2.83 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons