Scanning probe methods for electrooptical studies on semiconductor nanostructures

Abstract

Leitfähige Rasterkraftmikroskopie liefert ortsaufgelöste Bilder von den elektrischen Eigenschaften einer Oberfläche in hoher Auflösung und wird oft für die Fehleranalyse in der Halbleiterindustrie eingesetzt. Mit der Entwicklung im Bereich der Nanomaterialien stellen sich neue Herausforderungen an die optische und elektrische Messtechnik.<br />Es werden sensitive Messmethoden mit hoher Ortsauflösung benötigt um kleine Signale von Kleinst-Strukturen zu erfassen. Leitfähige Rasterkraftmikroskopie kombiniert mit optischen Systemen hat das Potential diesen Anforderungen gerecht zu werden und ermöglicht die Erfassung von lichtgebenden und stromerzeugenden Eigenschaften von Nanostrukturen.<br />In der vorliegenden Arbeit haben wir zunächst leitfähige Rasterkraftmikroskopie mit optischen Techniken kombiniert und für die Untersuchung von optoelektronischen Eigenschaften verschiedener nanostrukturierter Materialien verwendet. Verbesserte Signalqualitäten wurden durch präzise externe Erfassung von Strom und Kapazitätssignalen mittels Picoampermeter und Kapazitätsbrücke erreicht.<br />Mittels Photostrom-Rasterkraftmikroskopie haben wir erfolgreich InAs Quantenpunkte in 140nm Tiefe unterhalb der Probenoberfläche sichtbar gemacht und ihre diskreten Energieniveaus vermessen.<br />Weiters wurde die ortsaufgelöste Photoaktivität und Homogenität, sowie die spektrale Effizienz und das Langzeit-Verhalten von dünnen Schichten einer anorganisch-organischen Mischung (PbS QD/PCBM) untersucht.<br />Schlussendlich haben wir auch Emissivitätsstudien an einem neuartigen organischen Leuchtdiodenmaterial (BFA-2T) durchgeführt. Dazu wurde ein kommerziell verfügbares System für Konfokalspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie verwendet.

Conductive atomic force microscopy is an instrument which generates an accurate map of the spatially resolved electrical properties of a surface and is used for defect analysis in the semiconductor industry. With the rising interest in nanoscale materials, such a technique has the potential to be invaluable for the study of materials with nanoscale features. In combination with optical measurements, various optoelectronic characteristics of nanostructured materials can be evaluated, supporting device design in the field of both photovoltaics and luminescent applications.<br />In this work, we have explored the applicability of conductive atomic force microscopy for the investigation of optoelectronically interesting nanostructured materials. In particular, we have measured the spatially resolved photocurrent, performed local wavelength dependent photocurrent spectroscopy and conducted preliminary studies on photocapacitance spectroscopy as well as local electroluminescence measurements.<br />For the purpose of local photocurrent measurements, the conductive AFM was combined with an optical setup comprising a broadband supercontinuum laser and a monochromator. Improved signal quality was achieved by measuring small electrical signals such as current and capacitance with sensitive equipment. With the photoconductive AFM setup, we have successfully imaged epitaxially grown InAs QDs buried 140nm below the surface and identified the discrete QD energy levels in the photocurrent and the photocapacitance spectrum. Furthermore, we have investigated the photoactivity and material homogeneity of an organic-inorganic composite film of PbS QD/PCBM, by studying both the photocapacitance and the photocurrent spectrum as well as the spatially resolved photocurrent. Monitoring these properties over an extended period of time yielded information about the degradation behaviour of the film.<br />Electroluminescence measurements were performed to investigate light emission behaviour of a novel, robust material for OLED applications (BFA-2T) using a commercially available high resolution confocal-spectroscopic system with integrated AFM and high performance CCD detectors. The emission spectrum and stability, the current-voltage-emission relationships and the spatially resolved electrode behaviour were investigated.