Neue transparente, elektrisch leitfähige Schichten, hergestellt durch nass-chemische Verfahren

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die nass-chemische Herstellung transparenter leitfähiger Schichten der Systeme ZnO-SnO2, ZnO-In2O3, ZnO-Ga2O3 und Ga2O3-Sb2O5 auf Glas. Die Abscheidung der Schichten erfolgte mittels Rotationsbeschichtung aus alkoholischen Lösungen geeigneter Precursorverbindungen und Additive und anschließender Aushärtung bei erhöhten Temperaturen. Die Untersuchung der Beschichtungslösungen und der daraus hergestellten Schichten umfasste den Schwerpunkt der Arbeit. Anhand von Vorversuchen mittels eines Pipettierroboters konnten geeignete Lösungszusammensetzungen für die jeweiligen Materialsysteme ermittelt werden, wobei sich im Laufe der Untersuchungen zeigte, dass neben der Formulierung der Lösungen insbesondere die Art der Temperaturbehandlung entscheidenden Einfluss auf die kristalline Erscheinung des Schichtmaterials ausübt. Kristalline, XRD phasenreine Schichten von Zn2SnO4, Zn3In2O6 und Zn5In2O8 und auch röntgenamorphe Schichten der Zusammensetzungen ZnSnO3 und Zn2SnO4/In2O3 zeigten vielversprechende Eigenschaften, wobei für In haltige Materialien spezifische Widerstände erzielt wurden, welche mit denen 'klassischer'; transparenter leitfähiger Oxide vergleichbar sind. Gerade Schichten im System ZnO-In2O3, im Speziellen Zn3In2O6, wiesen neben hoher Temperaturstabilität hohe Austrittsarbeiten (5,3 eV) auf. Die Untersuchung der Vorgänge während der Kristallisation deutete auf Segregationsprozesse an den Korngrenzen hin, demgemäß wird der Transport der Ladungsträger innerhalb der kristallinen Schichtmaterialien hauptsächlich von Korngrenzenstreuung behindert. In solchen Fällen ist die Herstellung amorpher Schichten zu bevorzugen.

The aim of the present work is the deposition of transparent conducting coatings in the systems ZnO-SnO2, ZnO-In2O3, ZnO-Ga2O3 and Ga2O3-Sb2O5 on glass substrates by a wet-chemical process. The coatings were applied by spin-coating of alcoholic solutions of appropriate metal precursors and additives followed by a thermal treatment at elevated temperatures. The main part of this work focuses on the characterization of the coating solutions and of the coatings made thereof. Initial experiments by means of a pipetting robot revealed appropriate formulations of coatings solutions for the respective material system. Further investigations showed that, besides the composition of the solutions, the temperature treatment procedure significantly influences the crystallographic nature of the coatings material. Promising properties were observed for crystalline, XRD phase pure coatings of Zn2SnO4, Zn3In2O6 und Zn5In2O8, but also for X-ray amorphous coatings with the composition ZnSnO3 und Zn2SnO4/In2O3, in which resistivities comparable to 'common'; transparent conducting oxides could be achieved for In-containing materials. Especially coatings in the system ZnO-In2O3 (Zn3In2O6) showed not only a high thermal stability but also high electron work functions of up to 5.3 eV. The examination of crystallization kinetics indicated the occurrence of segregation processes at grain boundaries leading to a scattering of the charge carriers. In such circumstances, amorphous coating material should be preferred.