Elektrische Eigenschaften von Dünnfilmen auf der Nanoskala

Die Leistungsmerkmale aktueller elektronischer Bauelemente, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren mit großen Dielektrizitätskonstanten, flexible organische Displays und chemische Sensoren, aktive optoelektronische Identifikationssysteme und organische Solarzellen, kann nur durch Erforschung und Steuerung der physikalisch- chemischen Eigenschaften, wie unter anderem der komplizierten elektronischen Struktur, der zugrunde liegenden funktionalen Materialien verbessert werden. Darüber hinaus sind diese Mehrkomponentenmaterialien häufig ungeordnet und zeigen auch eine starke Tendenz zur Phasentrennung auf der Mikro- und Nanoskala, was wiederum ihre Morphologie und elektronischen Eigenschaften kontrolliert. Insbesondere die unterschiedlichen Eigenschaften der phasengetrennten Körner und Körnergrenzen beherrschen sowohl die Erzeugung von Ladungsträgern, deren Festhalten und Transport durch die aktive Schicht als auch das Kontaktverhalten dieser Schicht. Darum ist es wichtig, die Materialeigenschaften der Einzelteilchen von den Korngrenzen trennen zu können, um die Physik solcher Bauelemente und Materialien zu verstehen. Infolgedessen, werden räumlich auflösende Techniken benötigt, um die strukturellen und elektrischen Eigenschaften solcher Materialien, idealer weise zerstörungsfrei, auf der Nano- und Mikroskala zu studieren. Basierend auf ausführlichen Untersuchungen auf der Nanoskala repräsentativer phasengetrennter Strukturen, die für praktische Anwendungen in der zukünftigen Elektronik relevant sind, zielt dieses Projekt darauf ab, ein tieferes Verständnis der Verknüpfung zwischen deren elektrischen und morphologischen Eigenschaften herzustellen, was zur weiteren Optimierung der Herstellungsbedingungen und Eigenschaften auf der makroskopischen Skala beitragen wird. Die Strukturen mit unterschiedlichen Arten und Graden der Phasentrennung werden im Detail mittels Kelvin Sonde Kraft-Mikroskopie und Leitfähigkeit-Rasterkraftmikroskopie untersucht. Diese Techniken liefern zusätzlich zu der herkömmlichen Topographie auch gleichzeitig materialbezogene elektrische Information (Strom, Kontaktpotential, Austrittsarbeit) und stellen darum ideale, sich ergänzende, Techniken dar, um die relativen Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der phasengetrennten Dünnfilmen auf der Nanoskala zu messen. Für quantitative Untersuchungen werden die Proben unter Ultrahochvakuumbedingungen gemessen, um die Veränderung der Austrittsarbeit, eine Oberflächenmodifikation und Entartungseffekte zu vermeiden. Die Untersuchungen werden sowohl zweidimensionale (2D) Strom- und Austrittsarbeitsbilder umfassen als auch lokale Strom-Spannungs (I-V) Kennlinien. 2D-Abbildungen werden uns die Informationen über die elektrische Homogenität der Proben und über das Zusammenhang zwischen Morphologie und den elektrischen Eigenschaften liefern. Darüber hinaus kann von I-V Kennlinien z.B. die Durchbruchsspannung eines Gate-Dielektrikums extrahiert werden. Mit den erhaltenen Resultaten ist es einerseits möglich, die Zuverlässigkeit des Experimentes zu bestimmen, und andererseits, zusätzliche statistische Information über die Probenhomogenität einzuholen. Die Belichtung der Proben während der Messungen wird es auch erlauben, ihre photoelektrischen Eigenschaften auf der Nanoskala zu messen, was von großer Bedeutung für optoelektronische Bauelemente ist.

Die Leistungsmerkmale aktueller elektronischer Bauelemente, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren mit großen Dielektrizitätskonstanten, flexible organische Displays und chemische Sensoren, aktive optoelektronische Identifikationssysteme und organische Solarzellen, kann nur durch Erforschung und Steuerung der physikalisch- chemischen Eigenschaften, wie unter anderem der komplizierten elektronischen Struktur, der zugrunde liegenden funktionalen Materialien verbessert werden. Darüber hinaus sind diese Mehrkomponentenmaterialien häufig ungeordnet und zeigen auch eine starke Tendenz zur Phasentrennung auf der Mikro- und Nanoskala, was wiederum ihre Morphologie und elektronischen Eigenschaften kontrolliert. Insbesondere die unterschiedlichen Eigenschaften der phasengetrennten Körner und Körnergrenzen beherrschen sowohl die Erzeugung von Ladungsträgern, deren Festhalten und Transport durch die aktive Schicht als auch das Kontaktverhalten dieser Schicht. Darum ist es wichtig, die Materialeigenschaften der Einzelteilchen von den Korngrenzen trennen zu können, um die Physik solcher Bauelemente und Materialien zu verstehen. Infolgedessen, werden räumlich auflösende Techniken benötigt, um die strukturellen und elektrischen Eigenschaften solcher Materialien, idealer weise zerstörungsfrei, auf der Nano- und Mikroskala zu studieren. Basierend auf ausführlichen Untersuchungen auf der Nanoskala repräsentativer phasengetrennter Strukturen, die für praktische Anwendungen in der zukünftigen Elektronik relevant sind, zielt dieses Projekt darauf ab, ein tieferes Verständnis der Verknüpfung zwischen deren elektrischen und morphologischen Eigenschaften herzustellen, was zur weiteren Optimierung der Herstellungsbedingungen und Eigenschaften auf der makroskopischen Skala beitragen wird. Die Strukturen mit unterschiedlichen Arten und Graden der Phasentrennung werden im Detail mittels Kelvin Sonde Kraft-Mikroskopie und Leitfähigkeit-Rasterkraftmikroskopie untersucht. Diese Techniken liefern zusätzlich zu der herkömmlichen Topographie auch gleichzeitig materialbezogene elektrische Information (Strom, Kontaktpotential, Austrittsarbeit) und stellen darum ideale, sich ergänzende, Techniken dar, um die relativen Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der phasengetrennten Dünnfilmen auf der Nanoskala zu messen. Für quantitative Untersuchungen werden die Proben unter Ultrahochvakuumbedingungen gemessen, um die Veränderung der Austrittsarbeit, eine Oberflächenmodifikation und Entartungseffekte zu vermeiden. Die Untersuchungen werden sowohl zweidimensionale (2D) Strom- und Austrittsarbeitsbilder umfassen als auch lokale Strom-Spannungs (I-V) Kennlinien. 2D-Abbildungen werden uns die Informationen über die elektrische Homogenität der Proben und über das Zusammenhang zwischen Morphologie und den elektrischen Eigenschaften liefern. Darüber hinaus kann von I-V Kennlinien z.B. die Durchbruchsspannung eines Gate-Dielektrikums extrahiert werden. Mit den erhaltenen Resultaten ist es einerseits möglich, die Zuverlässigkeit des Experimentes zu bestimmen, und andererseits, zusätzliche statistische Information über die Probenhomogenität einzuholen. Die Belichtung der Proben während der Messungen wird es auch erlauben, ihre photoelektrischen Eigenschaften auf der Nanoskala zu messen, was von großer Bedeutung für optoelektronische Bauelemente ist.