Λεπτά υμένια διοξειδίου του κασσίτερου ως διαφανές αγώγιμο οξείδιο για διάφορες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές

Abstract

Με την έλευση της νανοτεχνολογίας, η σύνθεση νανοδομημένων υλικών όπως είναι τα διαφανή αγώγιμα οξείδια (Transparent Conductive Oxides - TCO) και η τροποποίηση της ηλεκτρονικής δομής τους απέκτησαν μεγάλη σημασία, κυρίως λόγω των χρήσιμων εφαρμογών τους σε ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Πράγματι, οι εξαιρετικά χρήσιμες εφαρμογές τους, όπως οι επίπεδες οθόνες, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα, οι αισθητήρες αερίων και οι δίοδοι εκπομπής φωτός, έχουν ήδη αρχίσει να γίνονται ιδιαίτερα σημαντικές. Η ποικιλομορφία των υλικών που είναι ενσωματωμένα σε αυτές τις συσκευές, στα οποία συμπεριλαμβάνονται και οι ημιαγωγοί, έχουν κάνει επιτακτική την ανάγκη για υλικά TCO με νέα απόδοση, μορφολογία αλλά και δυνατότητα επεξεργασίας σε χαμηλές ωστόσο θερμοκρασίες. Μεταξύ των υλικών που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι και τα ημιαγώγιμα υλικά οξειδίων, όπως το οξείδιο του κασσίτερου, που είναι γνωστά για δεκαετίες ως ημιαγωγοί ευρέως ενεργειακού χάσματος (~3eV). Για την εμφάνιση ωστόσο των διαφανών αγώγιμων ιδιοτήτων των ημιαγώγιμων αυτών υλικών, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η κατασκευή τους στις σωστές συνθήκες καθώς και η προσθήκη σε αυτά των κατάλληλων υλικών πρόσμιξης. Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η κατασκευή διάφανων και ταυτόχρονα αγώγιμων λεπτών υμενίων διοξειδίου του κασσίτερου με χρήση χημικής εναπόθεσης ατμών σε ατμοσφαιρική πίεση (ΑΠΧΕΑ) και η διερεύνηση του ρόλου των προσμίξεων και των συνθηκών εναπόθεσης στις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες αυτών των λεπτών υμενίων. Αρχικά, διερευνάται σε βάθος η εναπόθεση των οξειδίων του κασσίτερου σε διαφορετικές συνθήκες όπως πχ σε διαφορετικές θερμοκρασίες υποστρώματος, σε διαφορετικά υποστρώματα, αλλά και με διαφορετικές ροές αερίων, με στόχο την κατανόηση των παραμέτρων που καθορίζουν τη στοιχειομετρία και τις ιδιότητες των οξειδίων. Το περιβάλλον της εναπόθεσης θεωρείται κρίσιμο για τον καθορισμό των ιδιοτήτων των οξειδίων. ‘Έπειτα από τον χαρακτηρισμό του συστήματος λαμβάνουμε τα πρώτα αποτελέσματα σχετικά με τη μεταβολή του πάχους των υμενίων διοξειδίου του κασσίτερου με οξειδωτικό μέσο τους υδρατμούς αλλά και τους ατμούς μεθανόλης, την επίδραση της θερμοκρασίας στη δομή των λεπτών υμενίων καθώς και τις οπτικές τους ιδιότητες. Στη συνέχεια, κάνουμε ταυτόχρονες μετρήσεις ελλειψομετρίας (SE) και ρεύματος-τάσης (IV) σε ατμοσφαιρικό περιβάλλον σε δυο θερμικούς κύκλους έως και τους 400oC σε υμένια ΑΠΧΕΑ SnO2 τα οποία έχουμε προηγουμένως εναποθέσει υπό παρόμοιες συνθήκες χρησιμοποιώντας στα μεν ατμούς νερού και στα δε ατμούς μεθανόλης ως οξειδωτικά. Κατόπιν γίνεται η μελέτη της μορφολογίας, της δομής και της σύστασης των υμενίων ΑΠΧΕΑ SnO2 κάνοντας ταυτόχρονα και μια σύγκριση στα αποτελέσματα που λαμβάνονται μέσω των διαφόρων μεθόδων χαρακτηρισμού που υφίστανται. Επιπλέον μελετώνται οι οπτικές ιδιότητες των λεπτών υμενίων ΑΠΧΕΑ SnO2 και διερευνάται η εξάρτηση τους από τη θερμοκρασία καθώς επίσης γίνεται μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους μέσω ανάλυσης της ηλεκτρονικής δομής τους.