Bulk and surface characterization of In2 [In tief 2]O3 [O tief 3](001) single crystals

Abstract

Indiumoxid, In2[In tief 2]O3[O tief 3], ist ein wichtiger Halbleiter, der in vielen Bereichen industriell eingesetzt wird. Dazu gehören unter anderem transparente, leitfähige Schichten für organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Solarzellen, Gassensoren sowie transparente, infrarotes Licht reflektierende Beschichtungen. Die Diplomarbeit befasst sich mit den Festkörper- und Oberflächeneigenschaften von hochqualitativen In2[In tief 2]O3[O tief 3](001) Einkristallen.<br />Die transparenten, gelblichen Kristalle sind kubisch geformt und wurden mittels der Flussmethode hergestellt. Messungen mit einer Elektronenstrahlmikrosonde bestätigen die Vermutungen, dass beim Wachstumsprozess B2[B tief 2]O3[O tief 3] und PbO als Flussmittel verwendet wurden. Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) zeigte, dass sich Rückstände von Blei, Magnesium und Platin in einem der Kristalle befinden.<br />Unter polarisiertem Licht konnten Spannungsdoppelbrechung und mehrere Wachstumsdomänen beobachtet werden. Die Messung des spezifischen Widerstands mittels der Vierpunktmethode erlaubte die näherungsweise Abschätzung der Ladungsträgerkonzentration auf 1012[10 hoch 12] cm-3[cm hoch -3], was auf einen hohen Reinheitsgrad der Kristalle hindeutet. Durch Röntgenbeugungsmessungen konnte die Gitterkonstante vom zuvor verwendeten Wert von 10.117 Å auf 10.1150(5) Å verfeinert werden.<br />Rastertunnelmikroskopieaufnahmen der reduzierten Oberfläche (zur Präparation zerstäubt und wieder ausgeheilt) zeigen, dass alle Stufenkanten eine Höhe von 5 Å besitzen. Dies deutet darauf hin, dass es höchstwahrscheinlich nur eine Art von Kristallterminierung gibt. Die Kombination der Ergebnisse von Rastertunnelmikroskopie mit atomarer Auflösung sowie niederenergetischer Ionenstreuspektroskopie ermöglicht die Gewinnung weiterer Erkenntnisse:<br />Die reduzierte Oberfläche ist mit hoher Wahrscheinlichkeit Indium- und nicht Sauerstoff terminiert. In den Bildern mit atomarer Auflösung sind kleine, 2.5 Å hohe Inseln zu erkennen, die als ein stark verzerrtes Indiumgitter interpretiert werden können. Durch den Einsatz von Rastertunnelspektroskopie konnte gezeigt werden, dass es einen ausgeprägten Oberflächenzustand bei der Fermienergie gibt.<br />Photoelektronenspektroskopie zeigte weitere, tief liegende Zustände in der Bandlücke, welche durch Oxidation der Oberfläche mit atomaren Sauerstoff entfernt werden konnten. Die Oxidation führt darüberhinaus zu einer Schulter des O 1s Orbitals auf der Seite mit höherer Bindungsenergie. Dies ist vermutlich auf die Bildung von Peroxiden an der Oberfläche zurückzuführen. Die reduzierte Oberfläche zeigt des Weiteren ein aufwärts gerichtetes Band Bending im Ausmaß von etwa 0.4 eV. Die oxidierte Oberfläche hingegen besitzt ein abwärts gerichtetes Band Bending von ca. 0.1 eV.<br />

Indium oxide, In2[In tief 2]O3[O tief 3], is an important semiconductor with a wide range of technical applications including transparent films for Organic Light Emitting Diodes (OLEDS) and Organic Photovoltaic Cells (OPVC), gas sensing, and transparent infrared reflectors. The present diploma thesis comprises a comprehensive bulk and surface investigation of highquality In2[In tief 2]O3[O tief 3](001) single crystals. The transparent-yellow, cube-shaped single crystals were grown by the flux method. Measurements with an electron probe microanalyzer show that the crystals were grown using the fluxes B2[B tief 2]O3[O tief 3] and PbO. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) measurements revealed small residues of Pb, Mg and Pt in one of the crystals. Polarized light microscopy lead to the observation of multiple growth domains and stress birefringence. Four-point-probe measurements showed a resistivity of 2 ± 0.5 × 105[10 hoch 5] Ohm cm, which translates into a carrier concentration of surprisingly low 1012[10 hoch 12] cm-3[cm hoch -3]. The results from X-ray diffraction (XRD) measurements revise the lattice constant to 10.1150(5) Å from the previously accepted value of 10.117 Å. Scanning Tunneling Microscopy (STM) images of a reduced (sputtered/annealed) surface show a step height of 5 Å, which indicates a preference for one type of surface termination.<br />A combination of low-energy ion scattering and atomically resolved STM indicates an indium-terminated surface with small islands of 2.5 Å height, which corresponds to a strongly distorted indium lattice. Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) reveals a pronounced surface state at the Fermi level (EF). Photoelectron Spectroscopy (PES) shows additional, deep-lying band gap states, which can be removed by exposure of the surface to activated oxygen. Oxidation also results in a shoulder at the O 1s core level at a higher binding energy, possibly indicative of a surface peroxide species. A downward band bending of 0.4 eV and an upward band bending of 0.1 eV is observed for the reduced and oxidized surfaces, respectively.<br />