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Einfluss injizierter Ladungen auf Ba0,6Sr0,4TiO3-Dünnschichten: Elektrische und dielektrische Charakterisierung und Simulation des Ladungstransport

Bayer, Thorsten :
Einfluss injizierter Ladungen auf Ba0,6Sr0,4TiO3-Dünnschichten: Elektrische und dielektrische Charakterisierung und Simulation des Ladungstransport.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss injizierter Ladungen auf Ba0,6Sr0,4TiO3-Dünnschichten: Elektrische und dielektrische Charakterisierung und Simulation des Ladungstransport
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wurden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften von Bariumstrontiumtitanat (BST)-Dünnschichten unter Einfluss injizierter Ladungsträger charakterisiert, um hieraus Materialeigenschaften wie die feldabhängige Permittivität und die Ladungsträgerbeweglichkeit abzuleiten. Ausgangspunkt stellt die mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie bestimmte Bandanpassung von BST mit Zinn-dotiertem Indiumoxid (ITO) dar, die eine vernachlässigbar kleine Injektionsbarriere der Elektronen von ITO in BST offenlegt. Es wurde verdeutlicht, dass die resultierenden raumladungsbegrenzten Ströme (SCLC) nicht empirisch gefittet werden können, sondern numerisch simuliert werden müssen, da bei SCLC das elektrische Feld innerhalb des BST nicht konstant ist und somit auch die feldabhängige Permittivität variiert. Für die gemessenen Strom-/Spannungskennlinien wurde gezeigt, dass hier keine Korngrenzen den Stromfluss beeinflussen und statische Bedingungen vorherrschen, sodass zur Simulation ausschließlich die Poisson- und die Stromdichte-Gleichung notwendig waren. Auf Basis der Ableitung der Strom-/Spannungskennlinie in doppellogarithmischer Auftragung – dem Exponenten der Spannung – wurde abschließend die Simulation an die Messung angepasst. Dabei wurden drei Spannungsbereiche identifiziert, die von der Fallendichte, einer Quasi-Ferminiveau-abhängigen Beweglichkeit und der feldabhängigen Permittivität abhängen. Die Grundlage für eine Quasi-Ferminiveau-abhängige Beweglichkeit bildet die Aufweichung der Leitungsbandkante über „Urbach states“, was letztlich zu einer „mobility edge“ führt. Die Simulationen berechtigen somit zur Annahme, dass die Ladungsträgerbeweglichkeit in BST nicht konstant ist, sondern von der Ladungsträgerdichte abhängt. Ein Einfluss von „Urbach states“ auf den Ladungsträgertransport konnte auch über den komplexen nicht-linearen Fit der Impedanzdaten bestätigt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this study, the electric and dielectric properties of barium strontium titanate (BST) thin films were investigated by means of injected charge carriers in order to determine material properties like the field-dependent permittivity and charge carrier mobility. Starting point of this study is the band alignment of BST and tin-doped indium oxide (ITO) determined by X-Ray photoelectron spectroscopy, which reveals a negligibly small injection barrier for electrons from ITO into BST. It was shown that the resulting space charge limited currents (SCLC) cannot be fitted empirically, but need to be simulated numerically since in SCLC theory the electric field is not a constant within BST. Thus the field-dependent permittivity of BST exhibits a spatial variation. Additionally, it was pointed out that the measured current-voltage characteristics were not influenced by grain boundaries and static conditions could be applied so that for numerical simulations solely the Poisson and current density equation were necessary. On the basis of the derivative of the current-voltage characteristics in double logarithmic plot – the exponent of the voltage – the matching of measurement and simulation was possible. Three different voltage ranges were identified which could be correlated to defect states, a quasi-Fermi level dependent mobility, and a field-dependent permittivity. The basic concept for a quasi-Fermi level dependent mobility is formed by the existence of “Urbach states” resulting in a finite number of states within the band gap. Since their density decays exponentially with the distance from the conduction band minimum, this leads to a “mobility edge”. Additionally, the influence of “Urbach states” on the charge carrier transport could be confirmed using complex nonlinear least squares fitting of impedance data.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: BST, Bariumstrontiumtitanat, Dünnschichten, Halbleiter, Strom-/Spannungsmessung, Photoelektronenspektroskopie, Impedanzmessung, raumladungsbegrenzte Ströme, numerische Simulation, injizierende Elektroden
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 24 Oct 2014 06:20
Last Modified: 24 Oct 2014 06:20
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41710
Referees: Klein, Prof. Dr. Andreas and Alff, Prof. Dr. Lambert
Refereed: 10 September 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4171
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