Silver thin films : improving the efficiency of low-E coatings by employing different seed layers

Ries, Patrick; Mergel, Dieter; Wuttig, Matthias

doi:34406

Silver thin films : improving the efficiency of low-E coatings by employing different seed layers = Silberdünnschichten : Verbesserung der Effizienz von Low-E-Beschichtungen durch den Einsatz von unterschiedlichen Saatschichten

Ries, Patrick

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Patrick Johannes Ries

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVI, 154 S., XXXIX : Ill., graph Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor) ; Mergel, Dieter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-06-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-040467
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/481119/files/481119.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/481119/files/481119.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; silver thin films (frei) ; zinc oxide (frei) ; nickel oxide (frei) ; HF-etched silicon (frei) ; seed layer (frei) ; XRD (frei) ; TEM (frei) ; van der Pauw (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Moderne Mehrscheiben-Isoliergläser sind heutzutage mit mindestens einem low-E(missivity)-Schichtsystem veredelt. Unter dem Begriff „low-E-Beschichtung“ versteht man ein Mehrschichtsystem, dass auf das Basisglas aufgebracht wird. Als Folge des Einsatzes solcher Schichten kann der Wärmetransfer durch das Glas signifikant reduziert werden. Die gewünschten wärmeisolierenden Eigenschaften resultieren dabei aus der geringen Emissivität im Infraroten (IR), die durch die Verwendung eines dünnen Metallfilms erzielt wird. In der Mehrheit der industriell gefertigten low-E-Schichtsysteme wird eine dünne Silberschicht eingesetzt. Dabei stellt das sogenannte DC-Magnetron-Sputtern den bevorzugten Herstellungsprozess in der Architekturglasveredelung dar. Die Gründe dafür sind vielfältig und ergeben sich unter anderem aus der Möglichkeit großflächige Glassubstrate homogen und zeiteffizient zu beschichten. Dementsprechend sind alle Proben, die im Rahmen der Arbeit diskutiert werden, mittels Magnetron-Sputtern hergestellt worden. Um die Effizienz dieser Schichtsysteme zu verbessern, ist es nötig, das Emissionsvermögen im Infraroten weiter abzusenken. Dies ist gleichbedeutend mit einer Maximierung der Rückstrahlung im IR-Bereich. Da eine direkte Beziehung zwischen der Reflexion im Infraroten und dem elektrischen Widerstand besteht, kann die beabsichtigte Effizienzsteigerung durch ein Absenken des elektrischen Widerstands der Silberschicht erreicht werden. Es ist bekannt, dass die Verwendung einer Saatschicht, z.B. aus Zinkoxid, zu einer Verringerung des Widerstands führen kann. Infolgedessen sind im Verlauf der Arbeit Zinkoxidschichten als Saatschichten eingesetzt worden, um die Textur und somit den Widerstand der Silberdünnschichten bedarfsgerecht anzupassen. Das Ziel der Arbeit war es, durch die Modifikation der Saatschicht neue Wege aufzuzeigen, die es ermöglichen, Silberschichten mit verbesserten strukturellen Eigenschaften im Schichtdickenbereich zwischen 8 nm und 12 nm herzustellen. Aus diesen Gründen sind sowohl die entsprechende Grenzfläche des Standardschichtsystems bestehend aus Silber und Zinkoxid als auch die jeweiligen Einzelschichten detailliert untersucht worden. Folglich sind primär Analysetechniken zur Charakterisierung der strukturellen und elektrischen Eigenschaften eingesetzt worden, um Variationen des Schichtwiderstands mit strukturellen Parametern der Silber- bzw. der Saatschicht korrelieren zu können. Zu diesem Zweck sind sowohl Transportmessungen, inklusive temperaturabhängiger Widerstandsmessungen, als auch Experimente zur Analyse der Kristallstrukturen, hauptsächlich Röntgendiffraktionsmessungen und Transmissionselektronenmikroskopieaufnahmen, durchgeführt worden. Darüber hinaus ist der Einfluss von alternativen Saatschichten auf die Silberdünnschichten untersucht worden. In diesem Zusammenhang sind zwei geeignete Ansätze zur Modifikation der Silberschichten identifiziert und getestet worden. Der erste Ansatz basiert auf dem Einbau einer zusätzlichen Saatschicht aus Nickeloxid, wohingegen der zweite Ansatz die Nutzung eines Wasserstoff-passivierten (111)-orientierten Siliziumwafers als Substrat für die Silberabscheidung vorsieht. In beiden Fällen lag der Schwerpunkt der Charakterisierung auf dem Zusammenspiel von Saatschicht und der Funktionsschicht aus Silber. Insbesondere ist analysiert worden, ob durch den Einsatz der alternativen Saatschichten die Silberstruktur und das Silberwachstum beeinflusst werden und welche Konsequenzen sich für den elektrischen Widerstand ergeben.

Most modern architectural glazing are coated with at least one low emissivity layer stack. As a consequence of deploying those coatings, the heat transfer through the glazing can be significantly minimized. The desired heat-insulating properties result from the low emissivity in the infrared (IR) achieved by employing a thin metal film. Consequently, the majority of industrially fabricated low emissivity coatings on glass feature a layer stack including a thin silver film. DC magnetron sputtering is the preferred fabrication process in the architectural glazing industry for the deposition of low emissivity films due to the inherent advantages of this fabrication process like the homogeneous and time-efficient coating of large glass substrates. Thus, all layers discussed throughout this work are deposited by magnetron sputtering. To improve the efficiency of these coatings, the emissivity in the infrared needs to be decreased. This is equivalent to a maximization of the IR reflectance. Due to a fundamental link between the IR reflectance and the electrical resistance, the intended efficiency improvement can be achieved by a reduction of the electrical resistance of the silver film. The application of seed layers, namely ZnO, is a known method to decrease the resistance. In this context, the zinc oxide is used as a template to tailor the texture of silver thin films. Hence, one goal of the present work is to investigate the corresponding interface of the standard Ag/ZnO system to improve the understanding of this layer stack and to identify ways to obtain silver thin films with an improved structural quality in the thickness range between 8 nm to 12 nm. In particular one of the main objectives is the analysis of the epitaxial relationship between Ag and ZnO. Hence, various analysis techniques are employed to characterize and gain new insights about this system. Primarily, these techniques comprise electrical and structural characterization methods to correlate the film resistance with the structural quality of the Ag film and its relation to the substrate. To this end, different transport measurements are utilized including temperature dependent resistance measurements, whereas the structural characterization focuses on x-ray diffraction and transmission electron microscopy. In addition, the influence of alternative seed layers on silver thin films is analyzed. Two suitable approaches for the modification of the silver structure have been identified and were tested. The first approach features the integration of an additional seed layer, namely NiO, whereas the second one is based on using hydrogen-passivated, (111) oriented silicon substrates for the silver deposition. In both cases, the focus is on the interplay between seed layer and functional silver film. Particularly, it has been analyzed whether the silver structure and the electrical properties can be improved by these alternative seed layers. In detail, it has been also tested if the texture can be changed and whether the different seed layers have a pronounced impact on the percolation limit of the silver thin film or not.

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