TEM Study of Cr, N Codoped TiO2 Thin Film
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3009062Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for fysikk [2701]
Sammendrag
Solcellefysikkgruppen ved NTNU utforsker konseptet for mellombåndmaterialer for anvendelse i høyeffektive solceller. Kr, N dopet TiO2 er en foreslått kandidat, men den ideelle dopingkonsentrasjonen er ikke bestemt. Gruppen gror derfor prøver med en kontinuerlig komposisjonsspredning (CCS) med kombinatorisk pulserende laseravsetning (c-PLD) for å søke mer effektivt. Spredningen er oppnådd ved å la TiO2 og KrN plymer avsettes ved forskjellige lokasjoner ved en kontrollert avstand under c-PLD prosessen. CCS filmen er grodd på en 2'' Si (100) wafer, og har en Kr og N spredning mellom 2.2 og 9.4% i området som er studert. Arbeidets mål er å studere innflytelsen av økt dopingkonsentrasjon og andre avsetningsparametere på de strukturelle egenskapene. Syv tverrsnittlameller er forberedt med fokusert ion-stråle i en serie på tvers av waferlinjen, i tillegg er to ekstra lameller forberedt i en serie perpendikulært på waferlinjen. Konvensjonell transmisjonselektronmikroskopi sammen med skannende presserende elektron diffraksjon er teknikker brukt for karakterisering.
Karakterisering fra transmisjonselektronmikroskopet (TEM) viser at de strukturelle egenskapene varierer på tvers av CCS filmen. Ved første plymesenter er strukturen polykrystallinsk med en preferanse for (100) og (110) rutil plan stablet parallelt med substratet. Preferansen tar sted i de tidlige vekstfasene. De krystalline områdene er av søyle-formet vekst bestående av mindre krystallitter og moiré effekter. Anatas strukturen er også tilstede lokalt i filmen. Ved sentrumet i waferen er filmen amorf med vekst av inverse krystalline kjegler. Nanokrystalline kolonner vokser ved andre plymesenter i en ellers amorf struktur, men forsvinner på tvers av serien perpendikulært på waferlinjen fra denne posisjonen.
En kan konkludere fra studien at vekstbetingelsene og de dominerende vekstprosessene varierer kontinuerlig på tverrs av filmen. Fra serien parallelt med waferlinjen kan man konkludere at en av parameterne tydelig øker energibarrieren for krystallinsk vekst ettersom strukturen går fra krystallinsk til amorft. Fra serien perpendikulært til waferlinjen kan man konkludere at veksten av nanokrystalline kolonner er sensitive til posisjonen i forhold til plymesenterne. Ettersom de strukturelle egenskapene varierer kontinuerlig så er transmisjonselektronmikrosopet et effektivt verktøy for å avdekke resultatene som viser lokale variasjoner innad i filmen. The Solar Cell Physics group at NTNU is exploring the concept of intermediate band materials for high-efficiency solar cells. Cr,N codoped TiO2 is a proposed candidate, however, the ideal doping concentration is not determined. The group thus grows films with continuous compositional spread (CCS) by combinatorial pulsed laser deposition (c-PLD) to speed up the search. The spread is obtained by letting TiO2 and CrN plumes deposit at two different locations at a controlled distance in the c-PLD process. The CCS film is grown on a 2'' Si (100) wafer, and has a Cr and N spread between 2.2 to 9.4% for the region studied in this thesis. The thesis work aims to study the influence of increasing doping concentration and other deposition parameters on the structural properties. Seven cross-sectional lamellae were prepared by focused ion beam in a series across the wafer center line, while an additional two were prepared in a series perpendicular to it. Conventional transmission electron microscopy together with scanning precession electron diffraction were used for characterization.
The characterization by the transmission electron microscope (TEM) showed that the structural properties vary continuously across the CCS film. From the series parallel to the wafer center line at the first plume center, the structure is polycrystalline with a dominant preference for (100) and (110) rutile planes stacked parallel to the substrate. The preference occurs in the early stages of growth. The crystalline regions results from columnar growth, with columns consisting of smaller crystalline grains and showing moiré effects. Anatase is also found locally in the CCS film. At the wafer center, the CCS film is amorphous with growth of inverse crystalline cones. At the second plume center, nanocrystalline columns grow within an amorphous film. These columns disappear across the series perpendicular to the wafer center line.
One can conclude from the TEM study that the growth conditions and dominating processes vary continuously across the film. Along the wafer center line, one parameter clearly increases the energy barrier for crystal growth as the structure goes from a crystalline to an amorphous structure. From the series perpendicular to the wafer center line, one can conclude that the growth of the nanocrystalline columns are sensitive to the position in relation to the plume centers. As the structural properties vary continuously, the transmission electron microscope is an effective technique for revealing the results of local structural variations within the CCS film.