Herstellung und Charakterisierung polykristalliner kathodenzerstäubter Zinnoxid-Dünnschichten – Volumen-, Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften

Im Fokus dieser Arbeit stand die komplementäre Untersuchung der Oberflächen- und Volumeneigenschaften polykristalliner kathodenzerstäubter Zinnoxid-Dünnschichten. Die Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften der hergestellten Schichten erfolgte in situ mittels Photoelektronenspektroskopie. Durch die Untersuchung kontaminationsfreier Oberflächen konnte eine systematische Variation der Oberflächenpotentiale und -zusammensetzung in Abhängigkeit der Depositionsbedingungen quantitativ bestimmt werden. Die Defektchemie und -kinetik der Zinnoxid-Dünnschichten wurde unter Verwendung sog. Relaxationsmessungen (Leitfähigkeit und thermoelektrische Kraft) untersucht. Zum ersten Mal wurde für Zinnoxid so detailliert das Wechselspiel von Oberflächen- und Volumeneigenschaften beleuchtet. Dabei wurden neue fundamentale Erkenntnisse bezüglich des Sauerstoffeinbaus in Zinnoxid aus der Gasatmosphäre gefunden, der sowohl von der Terminierung der Oberfläche, wahrscheinlich aber auch von der Lage des Ferminiveaus, abhängt. Im Gegensatz zu Zinn-dotiertem Indiumoxid (ITO) und Aluminium-dotiertem Zinkoxid (ZnO:Al) werden in dotiertem SnO2 keine intrinsischen kompensierenden Akzeptor-Defekte („Killer-Defekte“) beobachtet. Durch die Kombination von volumen- und oberflächenempfindlichen Methoden wurde eine Bandverbiegung an oxidierten Oberflächen von Sb-dotiertem SnO2 eindeutig nachgewiesen. Die für SnO2 basierte chemische Gassensoren (Taguchi-Sensoren) bedeutende Grenzfläche SnO2/Pt wurde mittels Photoemission untersucht. Hierdurch konnte zum ersten Mal ein elektronischer Sensibilisierungs-Effekt von Pt auf SnO2 festgestellt werden und ein Verständnis über Redoxreaktionen an vergrabenen Oxid/Metall Grenzflächen gewonnen werden.

The scope of this work was the complementary investigation of surface and bulk properties of polycrystalline tin oxide (SnO2) thin films prepared via magnetron sputter deposition. The characterization of the prepared films was performed in situ using photoelectron spectroscopy in order to avoid surface contaminations from air. A systematical variation of surface properties such as surface potentials and composition was observed in dependence on deposition parameters. The defect chemistry and kinetics were investigated by means of conductivity and thermopower relaxation measurements. For the first time the interplay of surface and bulk properties of tin oxide was investigated in such detail, leading to a new fundamental understanding regarding the oxygen exchange of tin oxide with the gas atmosphere. This process is crucially depending on the surface termination as well as Fermi level position of the oxide material. In contrast to tin-doped indium oxide (ITO) and aluminum-doped zinc oxide, no compensating intrinsic acceptor defects such as oxygen interstitials or cation vacancies were observed for doped tin oxide. Using a combination of bulk and surface sensitive techniques a band bending on oxidized doped tin oxide surfaces was unambiguously demonstrated. The technologically important interface tin oxide/platinum which is frequently used for gas sensors (Taguchi-sensors) was characterized by means of photoelectron spectroscopy. For the first time an electronic sensitization effect of Pt on SnO2 was observed. Furthermore, the experiments provided a fundamental insight with regard to chemical redox-reactions at buried oxide/metal interfaces.