Herstellung und Charakterisierung von wellenlängenselektiven transparenten Elektroden

Abstract

Transparente leitfähige Elektroden spielen eine wichtige Rolle in der Informationstechno-logie und Energietechnik. Sie sind transparent für Licht und leiten gleichzeitig elektrischen Strom. Konventionell bestehen sie aus leitfähigen Metalloxiden, z. B. Indium-Zinn-Oxid (ITO), welche in ultradünnen Schichten auf ein Substrat (z.B. Glas oder Kunststoff-Folie) aufgebracht sind. Eine Alternative zu leitfähigen Metalloxiden sind ultradünne Metallschichten (≈ 10 nm) typischerweise aus Au, Ag, Cu oder Al, welche zwischen zwei Dielekt-rika eingebettet werden. Die Eigenschaften der metallbasierten transparenten Elektroden können durch Nanostrukturierung der Metallschicht verändert werden. Insbesondere kann eine wellenlängenselektive Transmission erreicht werden. Eine mögliche Anwendung dieser wellenlängenselektiven Transmission könnte in Fenster-beschichtungen sein, bei denen das Sonnenlicht im sichtbaren Wellenlängenbereich (380 nm - 700 nm) möglichst effizient durchgelassen wird, während das Licht im Nahinfrarot-bereich (700 nm - 3000 nm) reflektiert werden soll. Solche sogenannten Solar Control Windows helfen, die Sonneneinstrahlung zu regulieren und somit insbesondere in warmen Klimata eine unnötige Aufheizung von Innenräumen zu vermeiden. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Herstellung und Charakterisierung einer nanostrukturierten Metallschicht. Verschiedene Techniken der Dünnschichtphysik wie Beschichtung durch thermisches Aufdampfen (Englisch: Thermal Evaporation) und Ätzmethoden wie O2Plasmaätzen ermöglichen in Kombination mit kolloidaler Lithographie die Herstellung einer Mastervorlage. Diese kann mithilfe von Nanoprägelithographie (Englisch: Nanoimprint Lithography, NIL) großflächig vervielfacht werden. Das auf diese Weise nanostrukturierte Replikat wird durch Magnetronsputtern metallisiert und mit Ar-Ionenstrahlätzen optimiert. Die hergestellten nanostrukturierten transparenten Elektroden werden mit einem Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR) optisch charakterisiert und mit unstrukturierten transparenten Elektroden verglichen. Der Vergleich zeigt, dass die nanostrukturierten Elektroden eine leicht höhere Transmission im sichtbaren Bereich aufweisen, sowie eine deutlich reduzierte Transmission im nahinfraroten Bereich von 800 nm bis 1800 nm verglichen mit unstrukturierten transparenten Elektroden.

Transparent conductive electrodes play an important role in information technology and energy technology. They transmit light and conduct electrical current at the same time. Conventionally, they consist of conductive metal oxides, for example indium tin oxide (ITO), which cover a substrate (e.g. glass or plastic foil) in ultra-thin layers. An alternative to the metal oxides are ultra-thin metal layers (≈ 10 nm), typically Au, Ag, Cu and Al, which are embedded between two dielectrics. The properties of the metal-based transparent electrodes can be changed by nanostructuring the metal layer. Specifically, wavelength selective transmission can be achieved. One possible application of a wavelength selective transmission is a cover film for win-dows, which transmits the sunlight in the visible spectrum (380 nm - 700 nm) and reflects the infrared light (700 nm - 3000 nm). Such Solar Control Windows can help regulate the irradiation and thus help avoid the unnecessary warming-up of the indoor spaces, espe-cially in a warm climate. This master thesis aims to construct and characterize nanostructured metal layers. Different methods of thin film physics like thermal evaporation and etching methods like O2 plasma etching, combined with colloidal lithography, help construct a master, which can be replicated on a large scale via nanoimprint lithography (NIL). The replica of the master can be plated with metal via magnetron sputtering and optimized through Ar-ion beam etching. The nanostructured transparent electrodes are optically characterized by a Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). They are then compared to the unstructured transparent electrodes. The comparison with unstructured transparent electrodes shows, that the nanostructured layers have a higher transmission within the visible solar spectral range and a distinctly lower transmission in the infrared range between 800 nm and 1800 nm.