Herstellung und Charakterisierung von transparenten elektrisch leitfähigen TiO2:Nb- Dünnschichten durch Gleichstrom- und Puls-Magnetron-Sputtern

Junghähnel, Manuela

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Abscheidung von neuartigen transparenten leitfähigen Niob-dotierten Titanoxidschichten TiO2:Nb auf großen Flächen durch Magnetron-Sputtern. Schwerpunkt der Arbeit war die Untersuchung der optischen und elektrischen Eigenschaften von TiO2:Nb sowie der Struktur in Abhängigkeit von den Bedingungen bei der Schichtabscheidung und einer anschließenden thermischen Behandlung. Durch Gleichstrom- und Puls-Magnetron-Sputtern von oxidischen Targets und einer anschließenden thermischen Behandlung bei 450°C im Hochvakuum wurden auf eine Fläche von (300 x 300) mm² transparente leitfähige TiO2:Nb -Schichten mit einem spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich (7 ... 9) x 10-4 Ohm*cm und einem Extinktionskoeffizienten bei 550 nm von 0,02 abgeschieden. Die Eigenschaften der Schichten sind stark abhängig von ihrem Gefüge. TiO2:Nb in der Anatas-Modifikation zeigt gute elektrische Leitfähigkeit. Freie Ladungsträger werden durch fünfwertige Nb-Ionen erzeugt, die sich auf einem regulären Ti-Gitterplatz befinden. Die Ladungsträgerkonzentration steigt mit steigender Zahl der substituierten Ionen. Die Korngrenzen bestimmen und begrenzen die Beweglichkeit der Ladungsträger. Transparentes leitfähiges TiO2:Nb zeichnet sich durch einen hohen Brechungsindex von ca. 2,5 bei 550 nm aus und ist besonders chemisch beständig.Die Beschichtungen und ein Großteil der Untersuchungen wurden am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik Dresden im Rahmen des Projektes „Plaspro“ durchgeführt, welches von der Europäischen Union und dem Freistaat Sachsen gefördert wurde (Fördernummer 12896/2155).

This thesis is about the deposition of novel transparent conductive niobium-doped titania TiO2:Nb thin films on large area by magnetron sputtering. The objective of the work was to investigate the optical and electrical properties of TiO2:Nb films and their structure in dependence on the conditions during deposition of the layers and subsequent thermal annealing.Direct current sputtering and pulse magnetron sputtering of oxidic targets followed by a thermal treatment at 450°C under high vacuum conditions allowed synthesis of transparent conductive TiO2:Nb layers with a resistivity in the range of (7 ... 9) x 10-4 Ohm*cm and an extinction coefficient at 550 nm of 0.02 on an area of (300 x 300) mm². The properties of the layers strongly depend on their structure. The anatase phase is responsible for good electrical conductivity. Free charge carriers are generated by pentavalent Nb ions, which are located on a regular Ti lattice site. The carrier density increases with increasing number of substituted ions. The grain boundaries determine and limit the carrier mobility. Transparent conductive TiO2:Nb is characterized by a high refractive index of about 2.5 at 550 nm and is chemically stable.The film depositions and the majority of the characterization work were carried out at the Fraunhofer Institute for Electron Beam and Plasma Technology FEP, Dresden, as frame work of the project “Plaspro”, which was funded by the European Union and the Free State of Saxony under grant number 12896/2155.

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Junghähnel, Manuela: Herstellung und Charakterisierung von transparenten elektrisch leitfähigen TiO2:Nb- Dünnschichten durch Gleichstrom- und Puls-Magnetron-Sputtern. Ilmenau 2012. Universitätsverlag Ilmenau.

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