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Influence of reactive sputtering process parameters on the structure and properties of TiO 2 thin films = Einfluss von reaktiven Sputter-Prozessparametern auf die Struktur und Eigenschaften von dünnen TiO2-Schichten



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Azza Amin El-Hamshary

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangII, 176 S. : graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-07-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38608
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82683/files/3860.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Experimentalphysik I A und I. Physikalisches Institut (131110)
  2. Fachgruppe Physik (130000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dünne Schicht (Genormte SW) ; Reaktives Sputtern (Genormte SW) ; Titan (Genormte SW) ; Physik (frei) ; thin film (frei) ; reactive sputtering (frei) ; Titanium (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 68.55.A- 8 * 81.15.Jj

Kurzfassung
In der jüngsten Vergangenheit haben dünne Titandioxid-Schichten (TiO2) erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen: Sie wurden zu einem wichtigen Bereich in der Forschung seitdem die Möglichkeit der Wasseraufbereitung durch Photokatalyse an der TiO2-Oberfläche entdeckt wurde. TiO2 ist ein Oxid mit einer weiten Bandlücke, das sich durch hohe chemische Stabilität, mechanische Härte und optische Durchlässigkeit, wie auch durch einen hohen Brechungsindex auszeichnet. Deshalb wird es in einer Vielzahl von Anwendungen, etwa in der Solarindustrie, in optischen Beschichtungen und als Schutzschichten verwendet. Dünne TiO2-Schichten können in zwei kristallinen Strukturen, Anatas und Rutil, kristallisieren. Anatas ist bei Raumtemperatur metastabil, während Rutil die thermodynamisch stabile Phase darstellt. Jede Phase ist durch ihre spezifischen physikalischen Eigenschaften und Anwendungen ausgezeichnet. Rutil zum Beispiel ist bekannt für seine vergleichsweise hohe Massendichte (4,23 g/cm3) und einen hohen Brechungsindex von bis zu 2,75 bei 589 nm. Daher ist es bestens geeignet für Anwendungen wie Antireflex-Beschichtungen. Anatas wiederum wird durch eine sehr ausgeprägte photokatalytische Aktivität in Kombination mit Hydrophobie charakterisiert. Folglich werden Oberflächen damit beschichtet, um z.B. einen Selbstreinigungseffekt einzustellen, Beschlag zu verhindern oder eine antibakterielle Wirkung zu erzielen. Es wird auch für die Wasser- und Luftreinigung eingesetzt. In dieser Arbeit wurde ein atomistisches Verständnis des Wachstums von dünnen TiO2-Schichten unter dem Einfluss von verschiedenen Sputter-Prozess-Parametern entwickelt. Es hat sich gezeigt, dass die gezielte Einstellung der Struktur der reaktiv gesputterten TiO2-Schichten durch die Steuerung der Sputter-Prozess-Parameter möglich ist. Verschiedene Sputtertechniken wie DCMS, IBAS und HiPIMS wurden verwendet, um TiO2-Filme herzustellen. Diese Filme zeigen zwei kristalline Strukturen, Anatas und Rutil. Die Beschichtung wurde unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Variiert wurde z. B. der energetische Beschuß der Schichten, sowie der Sauerstoff-Partialdruck und die Schichtdicke. Es hat sich herausgestellt, dass die Bildung der einzelnen Phasen durch spezifische Parameter kontrolliert wird. Zum Beispiel fördert der energetische Beschuss das Wachstum der Rutil-Struktur. Das Wachstum von Anatas findet bevorzugt bei fehlenden oder sehr schwachem Ionenbeschuss statt. Zusätzlich wurde die Bildung von Anatas oft für Abscheideprozesse bei hohem Sauerstoff-Partialdruck oder für dicke Schichten gefunden, während andernfalls eine Rutil-Struktur ausgebildet wurde. Das zusätzliches Heizen des Substrats begünstigt ebenfalls die Bildung von Anatas. Es hat sich gezeigt, dass energetischem Beschuss eine dominierende Rolle in der Strukturbildung zukommt. Es ist erwiesen, dass der Beschuss der wachsenden Schicht mit hochenergetischen Sauerstoff-Ionen, welche typisch für den reaktiven Sputter-Prozess sind, das Wachstums der Rutil-Struktur fördert. Dies wurde durch eine Untersuchung von Schicht-Profilen aus einer Beschichtung mit neuen und alten Targets gezeigt, da die Verteilung des Sauerstoff-Ionen-Beschusses entlang des Substrats abhängig vom Alter des Targets ist. Ein weiterer Beweis stammt aus der Untersuchung von Schichten die in einem HiPIMS-Prozess abgeschieden wurden, bei welchem die hochenergetischen negativen Sauerstoff-Ionen die dominante Spezies bei der Strukturbildung darstellen. Darüber hinaus sind reine Rutil-Schichten auch unter zusätzlichem Ionenbeschuss in einem Ionen-unterstützten DCSputter-Prozess abgeschieden worden. Diese Ergebnisse zeigen auch, dass der Ionenbeschuß selektiv die Bildung der Anatas-Phase unterdrückt. Die Untersuchung der Strukturbildung unter dem Einfluss von O+- und Xe+-Ionen-Beschuss zeigte auch, dass die Spezies der Ionen keine Rolle in der Strukturbildung spielt. Die Verringerung der Intensität des energetischen Sauerstoff-Ionen-Beschusses vom Sputtertarget hat die Bildung einer reinen Anatas-Struktur ermöglicht. Es wurde auch gezeigt, dass der Ionenbeschuss einen starken Einfluss auf die Oberflächentopographie hat. Zwei verschiedene Oberflächen-Features können deutlich unterschieden werden und repräsentieren vermutlich jeweils die Kornstruktur des Rutil und Anatas. Es wurde auch gezeigt, dass reine Rutil-Schichten welche in einem HiPIMS-Prozess abgeschieden wurden thermisch stabil sind. Die Einschlag der hochenergetischen Sauerstoff-Ionen in die wachsende Schicht haben die Bildung von mechanischer Druckspannung zur Folge, welche, wie der Beschuß auch, von verschiedenen Prozessparametern beeinflusst wird. Die Filme zeigen eine inhomogene Verteilung der Rutil- und Anatas-Phasen mit der Erhöhung der Schichtdicke. Rocking-Curve-Röntgenmessungen bei kleinem Einfallswinkel haben gezeigt, dass die Rutil-Phase am Substrat-Schicht-Interface wächst. Mit zunehmender Schichtdicke überwuchert die Anatas-Phase die Rutil-Phase. Erste Beweise für dies wurden in einer Simulation der Rocking-Curve-Messungen für verschiedene Schicht-Strukturen gefunden. TEM-Messungen bestätigten schließlich dieses postulierte Wachstumsverhalten. Die Messungen zeigen, dass das Wachstum der Rutil-Phase in der Regel an der Substrat-Grenzfläche beobachtet werden kann. Wenige Anatas-Körner keimen an der Grenzfläche und überwuchern letztlich die Rutil-Körner in konischer Form. Untersuchungen der Photoleitfähigkeit von dünnen TiO2-Schichten bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und Atmosphären haben erhebliche Abhängigkeiten von der Schicht- Struktur gezeigt. Es hat sich gezeigt, dass die Trapping und De-Trapping-Raten von Ladungsträgern für die Anatas-Struktur kleiner als für die Rutil-Phase sind.

Recently, titanium dioxide (TiO2) thin films have attracted significant attention and became a major area of research since the discovery of its photocatalytic effect on water. TiO2 is characterized by high chemical stability, mechanical hardness and optical transmittance as well as by a high refractive index. Therefore it is used in a variety of applications including solar energy conversion, optical coatings and protective layers. TiO2 thin films can crystallize in two crystalline structures, anatase and rutile. Anatase is metastable at room temperature while rutile is the thermodynamically stable phase. Each phase is characterized by its specific physical properties and related applications. The rutile phase for example is known for its comparatively high mass density (4.23 g/cm3) and high refractive index of up to 2.75 at 589 nm. Hence, it is highly suitable for applications like antireflective coatings. The anatase phase in turn is characterized by a very pronounced photocatalytic activity in combination with hydrophobicity. Consequently, it is applied to fabricate self-cleaning, antifogging glass and antibacterial surfaces. It is also used for water and air purification. In this work, an atomistic understanding of the growth of TiO2 thin films under the influence of various sputtering process parameters has been developed. It has been demonstrated that tailoring the structure of the reactively sputtered TiO2 thin films is possible by controlling the sputtering process parameters. Different sputtering techniques like dcMS, IBAS and HiPIMS have been utilized to fabricate TiO2 thin films. These films exhibit two crystalline structures, namely anatase and rutile. Sample preparation has been performed at different conditions, varying e.g. energetic bombardment, oxygen partial pressure and film thickness. It has been found that the formation of each phase is governed by specific parameters. For instance, energetic bombardment promotes the growth of the rutile structure. On the other hand, the growth of the anatase phase profits from the absence or very weak ion bombardment. Additionally, the anatase phase was often found for growth at high oxygen partial pressure or for thick films, whereas a rutile structure was formed otherwise. Additional substrate heating was also found to support the formation of the anatase phase. It has been demonstrated that energetic bombardment plays a dominant role in the structure formation. It has been proven that the bombardment of the growing film with highly energetic negative oxygen ions inherent in the sputtering process promotes the growth of the rutile structure. This has been observed by an investigation of the sample profile utilizing new and aged targets, since the distribution of oxygen ion bombardment along the substrate depends on the age of the target. Further support was found from investigating films grown in a HiPIMS process, where the negative oxygen ions with high energies are the dominant species governing structure formation. Furthermore, pure rutile films have also been grown under additional ion bombardment in an ion-assisted DC sputtering process. These results also show that the ion bombardment selectively hindered the formation of the anatase phase. The investigation of the structure under the influence of O+ ion and Xe+ ion bombardment has indicated that the nature of the bombarding species does not play a role in structure formation. Reducing the intensity of the energetic oxygen ion bombardment from the sputter target has enabled the formation of pure anatase structure. It has also been shown that the ion bombardment has a strong influence on the surface topography. Two surface features can be clearly distinguished that were proposed to represent rutile and anatase grains. It has also been demonstrated that purely rutile films grown in the HiPIMS process are thermally stable. The impact of highly energetic oxygen ions to the growing film has led to the formation of compressive stress which is dependent on the various process parameters. The films show an inhomogeneous distribution of the rutile and anatase phases upon increasing the film thickness. Rocking curve scans at small incidence angle have shown that the rutile phase grows at the substrate-film interface. With increasing thickness, the anatase phase overgrows the rutile phase. First evidence for this has been found from a simulation of the rocking curve scans for different film structures. TEM measurements finally confirmed the postulated growth mode. The measurements show that the growth of the rutile phase is usually observed at the substrate interface. Few anatase grains nucleate at the interface and overgrow the rutile grains in a conical manner.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-143065
Datensatz-ID: 82683

Beteiligte Länder
Germany

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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Physics
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Public records
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130000
131110

 Record created 2013-01-28, last modified 2022-04-22


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