Μελέτη διεπιφανειών οξειδίων με οργανικούς και ανόργανους ημιαγωγούς με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων

Abstract

The transistor’s and the organic photovoltaic devices attract the scientific and research interest. The scale reduction of the MOSFET as well as the creation of organic photovoltaic devices with high efficiency are objectives which will revolutionize many areas of daily life. The first part of this thesis presents the study of high-k oxides (Al2O3 and HfO2) / Ge interfaces and structures with intermediate passivation layer, using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The stoichiometry, the thickness of the films, the electronic structure were determined and the possible interaction between the films and the Ge substrate was investigated. The films were grown by Atomic Layer Deposition (ALD) technique for two different thicknesses (5nm and 10nm) on Ge and at different deposition temperatures. Also, the formation and the development of controlled, stable and stoichiometric GeO2 (as passivation layer) on top of the Ge substrate through the exposure of substrates in plasma O2 was investigated. The experimental results showed the formation of discrete interfaces without creating intermediate interfacial oxide observed and the GeO2 films of ~ 3.3nm thickness remaining stable upon exposure to the atmosphere was created after the plasma treatment of Ge surface.The second part includes the detailed study of the chemical and electronic structure of the interfaces formed ex-situ by spin coating and in-situ by thermal evaporation of the organic semiconductor PCBM on various oxide substrates (ITO, AZO, and Ba(OH)2) using X-ray and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (XPS and UPS). No interaction was observed between the organic semiconductor and the substrates, and the formed interfacial dipole and the hole injection barrier of the interfaces were determined. Up to one monolayer of the PCBM a band bending was observed. In all cases, gap states between the HOMO of PCBM and the Fermi level were revealed and the 'pinning' of the Fermi level according to the Integer Charge Transfer (ICT) model is detected. These results may explain the higher performance photovoltaic devices obtained by the introduction between the AZO and the organic semiconductor of an inexpensive and easily processable layer such as Ba(OH)2.

Τα transistor και οι οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις αποτελούν τομείς που προσελκύουν ιδιαίτερα το επιστημονικό και ερευνητικό ενδιαφέρον. Η μείωση των διαστάσεων στα transistor MOSFET όπως επίσης η δημιουργία οργανικών φωτοβολταϊκων διατάξεων με υψηλή απόδοση αποτελούν στόχους που εάν επιτευχθούν θα αλλάξουν ριζικά πολλούς τομείς της καθημερινής ζωής του ανθρώπου. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν διεπιφάνειες οξειδίων με οργανικούς και ανόργανους ημιαγωγούς που αποτελούν τμήμα δομών MOS και οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων.Στο πρώτο μέρος μελετήθηκαν, χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-X (XPS), οι διεπιφάνειες που σχηματίζονται μεταξύ υμενίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (Al2O3 και HfO2) με το γερμάνιο καθώς και δομών με ενδιάμεσο στρώμα αδρανοποίησης. Συγκεκριμένα, προσδιορίστηκε η στοιχειομετρία, το πάχος των υμενίων, η ηλεκτρονιακή δομή και διερευνήθηκε η πιθανή αλληλεπίδραση μεταξύ των υμενίων καθώς και με το υπόστρωμα Ge. Τα υμένια αναπτύχθηκαν με την τεχνική εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD) για δύο διαφορετικά πάχη (5nm και 10nm) πάνω σε Ge και σε διαφορετικές θερμοκρασίες εναπόθεσης. Επίσης, μελετήθηκε η δημιουργία και η ελεγχόμενη ανάπτυξη, σταθερού και στοιχειομετρικού GeO2 (ως στρώμα αδρανοποίησης) μέσω της έκθεση των υποστρωμάτων σε ψυχρό πλάσμα Ο2. Παρατηρήθηκε ο σχηματισμός διακριτών διεπιφανειών, χωρίς δημιουργία ενδιάμεσου διεπιφανειακού οξειδίου. Το παρασκευασθέν, με πλάσμα O2, GeO2 έφτασε σε πάχος ~3.3nm παραμένοντας σταθερό κατά την έκθεσή του στην ατμόσφαιρα.Το δεύτερο μέρος της Διδακτορικής αυτής Διατριβής περιλάμβανε το χαρακτηρισμό (χημική και ηλεκτρονικής δομή) με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ και υπεριώδη ακτινοβολία (XPS και UPS) διεπιφανειών που σχηματίστηκαν ex-situ με εναπόθεση μέσω περιστροφής (spin coating) και in-situ με θερμική εξάχνωση του οργανικού ημιαγωγού PCBM σε διάφορα υποστρώματα οξειδίων (ITO, AZO και Ba(OH)2). Δεν παρατηρήθηκε αλληλεπίδραση μεταξύ του οργανικού ημιαγωγού και των υποστρωμάτων ενώ υπολογίστηκε η τιμή του διεπιφανειακού διπόλου που σχηματίζεται καθώς και το φράγμα έκχυσης των οπών για κάθε μία από τις διεπιφάνειες. Παρατηρήθηκε η κάμψη των ενεργειακών ζωνών του οργανικού ημιαγωγού PCBM στα πρώτα στάδια της απόθεσης και μέχρι το σχηματισμό περίπου ενός μονοστρώματος. Σε όλες τις υπό μελέτη περιπτώσεις παρατηρήθηκε η ύπαρξη καταστάσεων (gap states) μεταξύ του HOMO του PCBM και του επιπέδου Fermi ενώ η θεωρία της ακέραιας μεταφοράς φορτίου (ICT model) είναι εφαρμόσιμη με αποτέλεσμα το ‘καρφίτσωμα’ του επιπέδου Fermi σε συγκεκριμένη τιμή. Τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να εξηγήσουν την υψηλότερη απόδοση σε φωτοβολταϊκές διατάξεις που προκύπτουν με την εισαγωγή ενός φθηνού και εύκολα επεξεργάσιμου στρώματος όπως είναι το Ba(OH)2 η οποία βασίζεται στη δημιουργία διεπιφανειακού διπόλου σε συνδυασμό με την παγίδευσης των οπών, εξαιτίας του μεγάλου φράγματος έκχυσης των οπών.