Gaswechselwirkungsreaktionen mit Indiumoxidschichten und deren Einfluss auf die elektronischen Oberflächeneigenschaften

Berthold, Theresa

Die durch die Anwendung von Indiumoxid (In2O3) als Gassensor motivierte Arbeit fokussiert sich auf die Untersuchung von Gaswechselwirkungen mit der In2O3 Oberfläche. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Erstellung eines Modells der Gaswechselwirkung solcher Sensoren. Daher wurde ein System reduzierter Komplexität von einkristallinen und texturierten Proben untersucht, im Gegensatz zu den sonst in der Sensorik üblichen polykristallinen Schichten. Die Charakterisierung der Gaswechselwirkung erfolgte durch in Echtzeit-Widerstandsmessungen sowie in situ Photoelektronenspektroskopie (XPS und UPS) nach der Gasadsorption bzw. -desorption. Die Kombination beider Messmethoden ermöglicht die Korrelation des Sensorkennwerts (Widerstandsänderung) mit der Änderung der elektronischen Oberflächeneigenschaften, wie Austrittsarbeit, Oberflächenbandverbiegung oder Oberflächenladungsträgerkonzentration. Über die Substratwahl (Y-stabilisiertes Zirkonoxid oder Aluminiumoxid) wurde die Kristallinität und Orientierung der Indiumoxidschichten, gewachsen mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (PAMBE), eingestellt. Im Initialzustand weisen alle untersuchten Proben eine Oberflächenelektronenakkumulation auf. Diese kann durch das Dotieren des In2O3 mit Elektronenakzeptoren (Mg oder Ni) leicht gesenkt werden. Die Gaswechselwirkungsexperimente erfolgten an mittels PAMBE hergestellten nominell undotierten In2O3 Schichten. Untersucht wurde zunächst die Reaktion der Indiumoxidoberfläche mit reaktivem Sauerstoff in Form eines Sauerstoffplasmas. Das Sauerstoffplasma führt zu einer Bedeckung der Oberfläche mit Sauerstoffadsorbaten von 0,7 bis 1,0 Monolagen, bei gleichzeitiger Verarmung der Oberflächenelektronenakkumulation. Die Wechselwirkungen der oxidierend wirkenden, untersuchten Gase (Sauerstoff, Ozon, Stickstoffmonoxid) mit der Indiumoxidoberfläche zeigen tendenziell gleiche Effekte auf die chemischen und elektronischen Oberflächeneigenschaften, jedoch deutlich schwächer ausgeprägt. So wird eine deutlich geringere Bedeckung der Oberfläche mit sauerstoffhaltigen Adsorbaten erreicht und die Oberflächenelektronen werden nicht vollständig verarmt. Bei diesen Experimenten konnte eine qualitative Korrelation der Oberflächenelektronenkonzentration und der Schichtleitfähigkeit des In2O3 beobachtet werden.

Motivated by the application of Indium oxide (In2O3) as gas sensitive material, this thesis is focused on gas interaction with the In2O3 surface. One mayor goal is the creation of a simple model of the gas interaction of such sensors. Therefore, a system of reduced complexity was used and single crystalline or textured samples were analyzed, compared to the polycrystalline films typically used in gas sensing. The gas interaction was characterized by in situ resistance measurements as well as in vacuo photo electron spectroscopy (XPS and UPS) after gas adsorption and desorption. The combination of both methods allows a direct correlation of the sensor parameter (change in resistivity) and the change of the electronic surface properties, like work function, surface band bending and surface electron accumulation. In this thesis PAMBE as well as MOCVD grown films were analyzed. The used substrate (Y-stabilized Zirconia or Alumina) determines the crystallinity and surface orientation of the Indium oxide films. In the initial state all samples show a surface electron accumulation layer. This accumulation can be slightly reduced by acceptor doping (Mg or Ni) of Indium oxide. The detailed gas interaction experiments were performed with textured, undoped, PAMBE grown Indium oxide. In a first step the reaction of reactive oxygen species, in form of an oxygen plasma, with In2O3 were analyzed. The oxygen plasma results in a surface coverage with oxygen containing surface adsorbates of 0.7 to 1.0 mono layer. Simultaneously the surface electron accumulation layer is depleted. The interaction of the analyzed oxidative acting gases (oxygen, ozone, nitrogen monoxide) with the Indium oxide surface demonstrates in principal the same effects on the chemical and electronic surface properties, but less intensive. So, the surface coverage with oxygen containing adsorbates is less and the surface electron concentration is reduced but not completely depleted. These experiments demonstrate a direct correlation of the surface electron concentration and the sheet conductance of the Indium oxide films.

Zitieren

Zitierform:

Berthold, Theresa: Gaswechselwirkungsreaktionen mit Indiumoxidschichten und deren Einfluss auf die elektronischen Oberflächeneigenschaften. Ilmenau 2018.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export