Atomlagenabscheidung von Hauptgruppenmetallchalkogeniden

Komoßa, Tim GND

In der vorliegenden Arbeit wurden dünne Filme aus Sb2Te3, Bi2Te3 und SnSe unter milden Reaktionsbedingungen mittels Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschieden. Diese Metall-chalkogenide sind als thermoelektrische Materialien und topologische Isolatoren Gegenstand aktueller Forschung. [11, 12] Zur Abscheidung dieser Materialsysteme wurde eine ALD-Anlage von Modular Flow verwendet. Es wurden die von Pore et al. etablierten Präkursoren wie SbCl3 und E(SiEt3)2 (E = Te, Se) [90] sowie neue Präkursoren eingesetzt, die mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) und NMR im Hinblick auf ihre thermische Stabilität und Reaktivität analysiert und in Abscheidungsexperimenten untersucht wurden. In dieser Arbeit wurde die Präkursorklasse der Metallalkoxide M(OR)x (M = Sb, Bi, Sn; R = Alkylrest) ausgewählt, die eine Reaktorkorrosion und Chlorkontamination im Vergleich zu SbCl3 und BiCl3 unterbinden. Die Verbindungen Sb(OEt)3, Bi(OCH(CF3)2)3 und Sn(OEt)2 sind aufgrund ihrer Flüchtigkeit, thermischen Stabilität und Reaktivität geeignete alternative Sb-, Bi- und Sn-Präkursoren. Außerdem besitzt der Präkursor Sn(OEt)2 im Vergleich zum etablierten SnEt4 von Drozd et al. eine geringere Toxizität. [141] Es wurde eine Machbarkeitsstudie zur Abscheidung von SnSe Filmen aus Sn(OEt)2 und Se(SiEt3)2 durchgeführt. Das Wachstumsverhalten der Präkursorsysteme aus Sb(OEt)3 bzw. Bi(OCH(CF3)2)3 und Te(SiEt3)2 wurde in detaillierten Studien untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Filmmorphologie von zahlreichen Abscheideparametern, wie Reaktionskammertemperatur, Spülzeit, exposure-Zeit, Zyklenzahl, Pulsdauer und Substrat beeinflusst wurde. Es wurden Al2O3(0001), Si(100), Si(111) und Glimmer als Substrate verwendet. Die erhaltenen ALD-Filme wurden ex situ mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenspektroskopie (EDX, XPS), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD) charakterisiert. In dieser Arbeit wurden polykristalline Filme mit einer hohen Oberflächenrauigkeit erhalten, die durch vertikales Wachstum in Form von hexagonalen Nanoplättchen verursacht wurde. Ausgewählte Filme wurden hinsichtlich ihrer elektronischen Transporteigenschaften mittels Hall-Messungen untersucht. Die erhaltenen Filmmorphologien und Ladungsträgermobilitäten der Sb2Te3 und Bi2Te3 ALD-Filme stimmen mit den Ergebnissen anderer Forschungsgruppen überein. [94, 125]

In this work, thin films of Sb2Te3, Bi2Te3 and SnSe were deposited under mild reaction conditions by atomic layer deposition (ALD). These metal chalcogenides are the subject of current research as thermoelectric materials and topological insulators. [11, 12] The ALD system from Modular Flow was used to deposit these material systems. Established precursors such as SbCl3 and E(SiEt3)2 (E = Te, Se) were used, [90] as well as new precursors, which were analysed by differential scanning calorimetry (DSC) and NMR for their thermal stability and reactivity and studied in deposition experiments. In this work, the precursor class of metal alkoxides M(OR)x (M = Sb, Bi, Sn, R = alkylgroup) was selected, which inhibits reactor corrosion and chlorine contamination compared to SbCl3 and BiCl3. The compounds Sb(OEt)3, Bi(OCH(CF3)2)3 and Sn(OEt)2 are suitable alternative Sb, Bi- and Sn precursors due to their volatility, thermal stability and reactivity. The precursor Sn(OEt)2 showed lower toxicity compared to the established SnEt4 from Drozd et al. [141] A feasibility study was performed on the deposition of SnSe films with Sn(OEt)2 and Se(SiEt3)2. The growth behavior of precursor systems with Sb(OEt)3, Bi(OCH(CF3)2)3 and Te(SiEt3)2 were studied in detail, showing that film morphology was affected by numerous deposition parameters such as reaction chamber temperature, purge time, exposure time, number of cycles, pulse duration and substrate. Al2O3(0001), Si(100), Si(111) and mica were used as substrates. The obtained ALD films were measured by scanning electron microscopy (SEM), X-ray spectroscopy (EDX, XPS), atomic force microscopy (AFM) and X-ray diffraction (XRD). In this work, polycrystalline films having a high surface roughness caused by vertical growth of hexagonal nanoplates were obtained. Selected films were examined for their electronic transport properties by Hall measurements. The obtained film morphologies and charge-carrier mobilities of the Sb2Te3 and Bi2Te3 ALD films are consistent with the results of other research groups. [94, 125]

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Komoßa, Tim: Atomlagenabscheidung von Hauptgruppenmetallchalkogeniden. 2019.

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