Mixed-anion compounds: An unexplored ALD playground for applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-07-31
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
89
Series
Abstract
Mixed-anion compounds, such as oxypnictides and oxychalcogenides, are an emerging research subject as functional solid-state materials. Their structures are more complex compared with traditional oxides, which provides novel building blocks for new functional materials. Potential applications include transparent electronics, photovoltaics and thermoelectrics. Atomic layer deposition (ALD) is a possible solution for fabricating mixed-anion thin films with superior properties to bulk mixed-anion compounds. Oxysulfides are an interesting group of mixed-anion compounds with desirable electrical properties and an inexpensive and non-toxic composition of earth-abundant elements. Their layered structure induces several intriguing properties such as superconductivity, transparent p-type semiconductivity and wide band gap. Only a few oxysulfides have been fabricated with ALD before. In this work, a novel atomic layer deposition process for fabricating oxysulfide LaOCuS (lanthanum oxide copper sulfide) thin films was implemented. The films were deposited on silicon and borosilicate glass substrates and the precursors used for depositions were La(thd)2, ozone, Cu(acac)2 and elemental sulfur. Different cycle numbers were utilized along with varying deposition temperatures and pulse/purge lengths to find the optimal deposition conditions. X-ray reflectivity (XRR) and grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) were used for characterization of the films. Both as-deposited and annealed films were characterized. Thin films of LaOCuS were successfully fabricated: partial crystallinity was observed in the deposited films and their phase composition was examined by comparing the XRD data of the films and the powder XRD data corresponding bulk compounds.

Useamman anionin yhdisteet, kuten oksikalkogeenit ja oksipniktidit, ovat kasvava tutkimuskohde funktionaalisina kiinteän faasin materiaaleina. Koska niiden rakenne on monimutkaisempi kuin oksideilla, niitä voidaan käyttää lähtöaineina uusille funktionaalisille materiaaleille. Muutamia mahdollisia käyttökohteita ovat läpinäkyvä elektroniikka sekä valosähköiset ja termosähköiset materiaalit. Atomikerroskasvatuksella (ALD) on mahdollista valmistaa korkealaatuisia useamman anionin ohutkalvoja, joilla on paremmat ominaisuudet kuin vastaavilla bulkkiyhdisteillä. Yksi useamman anionin yhdisteiden alaryhmä ovat oksisulfidit, joilla on erinomaisia elektronisia ominaisuuksia. Lisäksi ne ovat edullisia ja koostuvat myrkyttömistä ja yleisistä alkuaineista. Oksisulfidien suprajohtavuus, läpinäkyvyys, p-tyypin puolijohtavuus ja laaja energia-aukko ovat seurausta niiden kerrosrakenteesta. Vain muutamia oksisulfideja on valmistettu atomikerroskasvatuksella. Tässä työssä valmistettiin LaOCuS-ohutkalvoa (lantaanioksidikuparisulfidi) käyttämällä uutta atomikerroskasvatusprosessia. Kalvot kasvatettiin pii- ja borosilikaattilasisubstraateille ja lähtöaineina käytettiin La(thd)2:ta, otsonia, Cu(acac)2:a ja alkuainerikkiä. Kasvatuksissa vaihdeltiin syklien määrää, kasvatuslämpötilaa ja pulssipituuksia optimaalisten kasvatusolosuhteiden löytämiseksi. Sekä lämpökäsitellyt että käsittelemättömät ohutkalvot karakterisoitiin. LaOCuS-ohutkalvon kasvatus atomikerroskasvatuksella onnistui. Ohutkalvot todettiin osittain kiteisiksi ja niiden faasirakennetta tutkittiin vertailemalla kalvojen XRD-dataa vastaavien bulkkituotteiden pulveri-XRD-dataan.
Description
Supervisor
Karppinen, Maarit
Thesis advisor
Tripathi, Tripurari
Keywords
ALD, thin films, mixed-anion compounds, oxysulfides, lanthanum oxide, copper sulfide
Other note
Citation