Surface characterization of In2O3(001) single crystals

Abstract

Indiumoxid (In2O3) ist seit langer Zeit Gegenstand wissenschaftlicher Forschung. Es ist ein transparenter Halbleiter, der sich in vielen technischen Anwendungen wie zum Beispiel organischen Leuchtdioden (OLEDs - Organic Light Emitting Diodes), organischen Solarzellen (OPVCs - Organic Photovoltaic Cells) und transparenten Infrarotreflektoren wiederfindet. Diese Diplomarbeit setzt Daniel Hagleitners Arbeit an hochqualitativen In2O3(001) Einkristallen fort.<br />Eine Serie von Proben, die unter unterschiedlichen Zusammensetzungen von Flussmitteln - beigefügte BaO, CaO und MgO Zusätze in unterschiedlicher Dosierung - gewachsen wurden, werden mittels Oberflächen- und Festkörperanalysemethoden verglichen. Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS - Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) gibt Aufschluss uber die in den Kristallen eingebetteten Elemente. Unter reduzierenden Bedingungen bestätigen Augerelektronenspektroskopie (AES) und niederenergetische Ionenstreuspektroskopie (LEIS - Low-Energy Ion Scattering Spectroscopy) Indium Kristalloberflächen bei allen Proben, während Rastertunnelmikroskopie (STM - Scanning Tunneling Microscope) geringfügige Unterschiede in der Oberflächenstruktur zeigt. Alle untersuchten Einkristalle haben gewisse Grundzüge wie durchgängig 5 A hohe Stufenkanten und atomare Cluster auf einem 2.5 A tiefer liegenden Gitter gemeinsam, wobei sich die verschiedenen Proben durch Terrassengrößen und die Anordnung der Atomcluster auf der obersten Lage voneinander unterscheiden. Ladungsträgerkonzentration und elektrischer Widerstand Hagleitners Kristalls werden mittels Hallmessungen zu n =3 × 10 14 cm-3 und rho = 1.044 × 10 5 Ohm·cm korrigiert, was noch immer ein bemerkenswertes Ergebnis darstellt. Die Werte für andere Kristalle ähnlicher Zusammensetzung liegen in der Größenordnung bisher gefundener Werte. Weiters wird der Einfluss von atomarem Sauerstoff, atomarem Wasserstoff und molekularem Wasser auf die In2O3(001) Oberfläche geprüft und diskutiert.<br />

Indium oxide (In2O3) has been subject to research for many years. It is a transparent semiconductor that is found in many technical applications like Organic Light Emitting Diodes (OLEDs), Organic Photovoltaic Cells (OPVCs) and transparent infrared reflectors. This thesis continues the work of Daniel Hagleiter on high-quality In2O3(001) single crystals. A series of flux grown samples with a variety of flux compositions, namely BaO, CaO, and MgO additives, were investigated by means of surface and bulk analysis techniques. With the results of Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), the residual flux elements are compared to the growth parameters. Auger Electron Spectroscopy (AES) and Low-Energy Ion Scattering (LEIS) confirm indium terminated surfaces on all samples, while Scanning Tunneling Microscopy (STM) shows slight differences in the surface structures. Although all crystals share basic features such as consistent 5 A high step edges and atomic clusters on a 2.5 A deeper lying sublattice, terrace sizes and the ordering of surface atom clustering distinguish the different samples. Carrier concentration and electric resistivity for Hagleitner's crystal were revised to n =3 × 10 14 cm-3 and rho = 1.044 × 10 5 Ohm·cm via Hall measurements, which is still a remarkable result.<br />Values for other crystals grown in a similar fashion show results comparable to literature for most crystals. Furthermore the influence of atomic oxygen, atomic hydrogen, and molecular water on the In2O3(001) surface is investigated and discussed.<br />