Da die Menge an fossilen Brennstoffen begrenzt ist, rückt ein effizienter Umgang mit Energie und die Erschließung neuer Energiequellen verstärkt in den Blick der Öffentlichkeit. Aufgrund der bis heute noch geringen Effizienz (Wirkungsgrad) der thermoelektrischen Energiewandlung bei bereits industriell nutzbaren thermoelektrischen Materialien hat sich die Thermoelektrik bis heute nur in speziellen Anwendungsbereichen durchgesetzt. Eine wesentliche Steigerung der Effizienz im Vergleich zu den Bulk-Materialien versprechen jedoch die im Fokus aktueller Forschung stehenden nanostrukturierten Halbleitermaterialien. Eines der besten p-leitenden thermoelektrischen Materialien bei Raumtemperaturen ist Antimontellurid (Sb2Te3). Die im Rahmen dieser Studie untersuchten nanoskaligen Sb2Te3-Schichten (Dünnfilme) wurden mittels der Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellt, welche eine homogene und konforme Abscheidung einzelner Atomlagen erlaubt. Beschrieben wird der Einfluss der Prozessparameter der ALD auf die Struktur, die Morphologie und die thermoelektrischen Transporteigenschaften der Sb2Te3-Schichten. Eine Variation der Prozesszeiten beeinflusst das Wachstum der nanoskaligen Schichten hinsichtlich Kristallitgröße und Oberflächenrauheit. Die thermoelektrische Charakterisierung umfasst die kombinierte Messung des Hall-Koeffizienten, des Seebeck-Koeffizienten und der elektrischen Leitfähigkeit.

Textprobe: Kapitel 2.4 Atomlagenabscheidung (ALD): Die Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) ist ein mit der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) verwandtes Verfahren. Bei der klassischen CVD reagieren die Reaktanten, häufig auch als Präkursoren bezeichnet, in der Gasphase miteinander. Als Produkt der Reaktionen entstehen Filme aus der Komposition der Präkursoren. Bei der ALD hingegen werden die Präkursoren getrennt voneinander auf das Substrat gepulst und eine Reaktionen finndet im Gegensatz zur CVD nur an der Substratoberfläche statt. Das ALD-Verfahren besteht aus einem sich wiederholenden Prozesszyklus von vier charakteristischen Teilschritten. Zunächst wird der erste Präkursor verdampft und reagiert mit der Oberfläche des Substrates. Diese Reaktion ist selbstbegrenzend, da die Reaktion nur auf der Oberfläche erfolgt und somit durch die Anzahl reaktiver Oberlächenstellen limitiert ist. Ist die Oberfläche vollständig mit Präkursor gesättigt, kann keine Reaktion mehr erfolgen, da der Präkursor nicht mit sich selbst reagiert. Im nächsten Schritt werden die Nebenprodukte sowie nicht reagierte Moleküle des Präkursors durch das Spülen mit Inertgas entfernt […]. Dies verhindert eine Reaktion in der Gasphase mit dem folgenden Präkursor. Somit erfolgt auch die Reaktion des zweiten Präkursors ausschließlich an der Oberfläche des Substrates. Dieser Zyklus zur Bildung einer Monolage endet mit einem weiteren Spülungsschritt und kann beliebig oft wiederholt werden. Die abgeschiedene Menge pro Zyklus wird als growth per cycle (GPC) bezeichnet. Aufgrund von sterischen Hinderungen und verschiedenen Wachstumsbedingungen ist es möglich, dass sich gerade bei den Anfangszyklen keine vollständige Monolage bildet. Dies kann dazu führen, dass die abgeschiedene Menge pro Zyklus erst dann konstante GPC-Werte erreicht, sobald sich eine vollständige Monolage gebildet hat. Aufgrund der selbstbegrenzenden Reaktionen ermöglicht die ALD eine sehr genaue und einfache Kontrolle der Schichtdicke […]. Ein weiterer Vorteil der ALD ist eine konforme und homogene Abscheidung auf beliebig geformte Substrate. Die Schichtdicke ist insbesondere bei niedrigen Abscheideraten aufgrund der sehr langen Prozesszeiten begrenzt und die möglichen Elemente und Komposite sind aufgrund der chemisch herstellbaren Präkursoren limitiert. Bei der ALD wird zwischen verschiedenen Wachstumsmodi unterschieden. Bei der Abscheidung von jeweils einer gesamten Monolage spricht man vom zweidimen-sionalen Wachstum, auch Frank-van-der-Merwe-Wachstum genannt, bei dem die Schicht ausschließlich lateral also Monolage um Monolage wächst. Es gibt jedoch auch Wachstumsarten, bei denen pro Zyklus keine homogene Monolage abgeschieden wird. Hierzu zählen das Inselwachstum (auch Volmer-Weber-Wachstum genannt) und die zufällige Deposition (Random Deposition). Inselwachstum tritt auf, wenn die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Nachbaratomen des abgeschiedenen Materials stärker als die Bindung zum Substrat ist. Aufgrund der schwachen Bindung zum Substrat lagern sich die Moleküle oder Atome mit der Zeit zu Inseln oder sogenannten Clustern zusammen, die sich mit steigender Zyklenzahl zu einer vollständigen Schicht vereinen. Diese Clusterbildung fördert ein vertikales Wachstum. Im Gegensatz zu dem Inselwachstum ist bei der Random Deposition die Bindungsenergie zwischen dem abzuscheidenden Material ungefähr gleich der Bindungsenergie vom Material zum Substrat. Die drei Wachstumsarten sind in Abbildung 11 dargestellt. Die einzelnen Wachstumsmodi müssen nicht zwangsläufig getrennt voneinander auftreten und können ineinander übergehen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist das layer-plus-island Wachstum (Stranski-Krastanov-Wachstum), bei dem nach Bildung der ersten Monolage durch zweidimensionales Wachstum die darauffolgende Schichtbildung durch ein Inselwachstum geprägt ist.

• Alternative Energiequellen

• Thermoelektrik

• Atomlagenabscheidung

• Antimontellurid

• Seebeck-Koeffizient

• Energietechnik

• Nanostrukturierte Halbleitermaterialien

• p-leitend

• Sb2Te3

• Dünnfilm

• Hall-Koeff

Laurens Pudewill, M.Sc, wurde 1990 in Hamburg geboren. Sein Studium der Physik an der Universität Hamburg schloss der Autor im Jahre 2017 mit dem akademischen Grad des Master of Science erfolgreich ab. Bereits während des Studiums sammelte der Autor als studentische Hilfskraft der Forschungsgruppe Multifunctional Nanostructures am Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik in Hamburg umfassende Erfahrungen im Bereich der Atomlagenabscheidung und ist Mitautor von mehreren Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Thermoelektrik und der Quantenpunktstrukturen.