Chromium oxide thin films via ALD

No Thumbnail Available
Files
Antikainen_Erik_2024.pdf (555.1 KB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-05-05
Department
Major/Subject
Kemia ja materiaalitiede
Mcode
CHEM3049
Degree programme
Kemiantekniikan kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
28
Series
Abstract
Atomic layer deposition (ALD) as a method for growing thin films has gained major attention in the scientific community, because the method enables precisely controlled thin film growth at the surface level. The ALD method has been used to grow thin films from almost all transition metal oxides. In this respect, the development of chromium oxides has lagged. Promising future applications have been developed for various chromium oxide thin films, e.g. in solar cells, gas sensors and catalytic surfaces. Of the chromium oxides, especially chromium dioxide is interesting in terms of future applications. Chromium dioxide is a half metallic ferromagnet for which no viable ALD process has been developed to grow thin films. The main problem with growing chromium dioxide thin films is its unstable structure under the conditions required for ALD processes. The development of ALD reactions for all chromium oxides is particularly important to realize future applications for consumer use. The goal of the bachelor's thesis is threefold. First, a literature review of various chromium oxides is conducted. The literature review studies the applications of chromium oxide thin films and the deposition of these thin films using ALD. In addition, the details of ALD reactions, such as precursors and the temperatures required for the reactions, are studied. The second goal of the bachelor's thesis is to conduct a literature review focusing especially on chromium dioxide and its properties. In addition, possible applications of thin films of the material are being investigated. Third, a precursor for chromium dioxide is suggested. In the bachelor’s thesis, it was stated that working ALD reactions have been developed for several chromium oxides, excluding chromium dioxide. A problem with the precursors used in the processes became apparent during the work. Most of the ALD reactions of various chromium oxides used chromyl chloride as a precursor, which has since been banned from industrial processes due to its mutagenicity. In addition, an ALD process has previously been implemented with chromyl chloride, where a thin film containing chromium dioxide was grown. In the bachelor’s thesis, Cr8O21 was proposed as a replacement for chromyl chloride, and thus as a precursor of chromium dioxide as well. The material in question has a chemical composition closely resembling chromyl chloride. In addition, the ALD conditions used for the material in question are of the same order as in previous processes with chromyl chloride. Based on the results, further research must be directed to the laboratory to find a new precursor. The precursor Cr8O21 needs to be investigated in an ALD reactor to grow thin films. Growing chromium dioxide thin films is particularly problematic. The developed CVD and ALD reactions are not directly applicable to the present. There are also problems with the degradation of the material or the mutagenicity of the precursor. In further studies, the precursors and reaction paths of previous ALD reactions, as well as the conditions, can be utilized.

Atomikerroskasvatus (atomic layer deposition, ALD) ohutkalvojen kasvatusmenetelmänä on saavuttanut suurta huomiota tiedeyhteisössä, koska menetelmä mahdollistaa tarkasti pintatasolla kontrolloidun ohutkalvon kasvatuksen. ALD-menetelmällä on kasvatettu ohutkalvoja kattavasti lähes kaikista siirtymämetallien oksideista. Tässä suhteessa kromin oksidien kehitys on jäänyt jälkeen. Erilaisille kromin oksidien ohutkalvoille on kehitetty lupaavia tulevaisuuden sovelluksia mm. aurinkokennoissa, kaasusensoreissa ja katalyyttisissä pinnoissa. Kromin oksideista erityisesti kromidioksidi on kiinnostava tulevaisuuden sovellusten kannalta. Kromidioksidi on ferromagneettinen puolimetalli, jolle ei ole kehitetty toimivaa ALD-prosessia ohutkalvojen kasvattamiseksi. Suurin ongelma kromidioksidin ohutkalvojen kasvattamisen suhteen on sen epävakaa rakenne ALD-prosesseihin vaadittavissa olosuhteissa. ALD-reaktioiden kehittäminen kaikille kromin oksideille on erityisen tärkeää, jotta tulevaisuuden sovellukset saadaan realisoitua kuluttajien käyttöön. Kandidaatintyön tavoite on kolmiosainen. Ensimmäiseksi työssä tehdään kirjallisuuskatsaus moniin eri kromin oksideihin. Kirjallisuuskatsauksessa tutkitaan kromin oksidien ohutkalvojen sovelluksia ja näiden ohutkalvojen tuottamista ALD-menetelmällä. Sen lisäksi tarkastellaan ALD-reaktioiden yksityiskohtia, kuten prekursoreita ja reaktioihin vaadittavia lämpötiloja. Kandidaatintyön toinen tavoite on tuottaa kirjallisuuskatsaus keskittyen erityisesti kromidioksidiin ja sen ominaisuuksiin. Kromidioksidia tarkastellaan materiaalina ohutkalvoille. Sen lisäksi tutkitaan mahdollisia kyseisen materiaalin ohutkalvojen sovelluksia. Kolmanneksi kromidioksidille ehdotetaan soveltuvaa prekursoria ALD-reaktioon, aikaisemman kirjallisuuden perusteella. Kandidaatintyössä todettiin, että useille kromin oksideille on kehitetty toimivat ALD-reaktiot lukuun ottamatta kromidioksidia. Työssä tuli ilmi ongelma prosesseissa käytettyjen prekursoreiden osalta. Suurimassa osassa eri kromin oksidien ALD-reaktioista käytettiin prekursorina kromyylikloridia, joka on sittemmin kielletty käytöstä teollisista prosesseista sen mutageenisyyden takia. Kromyylikloridilla on lisäksi aikaisemmin toteutettu ALD-prosessi, jossa saatiin kasvatettua osaksi kromidioksidia sisältävää ohutkalvoa. Kandidaatintyössä ehdotettiin kromyylikloridin korvaajaksi, sekä siis kromidioksidin prekursoriksi Cr8O21. Kyseisellä materiaalilla on kromyylikloridia läheisesti muistuttava kemiallinen koostumus. Sen lisäksi kyseiselle materiaalille käytetyt ALD-olosuhteet ovat samaa luokkaa kuin aikaisemmissa prosesseissa kromyylikloridilla. Tuloksien perusteella jatkotutkimukset on suunnattava laboratorioon uuden prekursorin löytämiseksi. Prekursoria Cr8O21 on tutkittava ALD-reaktorilla yrittäen kasvattaa ohutkalvoja. Kromidioksidi ohutkalvojen kasvattaminen on erityisen ongelmallista. Kehitetyt CVD- ja ALD-reaktiot eivät ole suoraan sovellettavissa nykyhetkeen. Ongelmia tulee myös materiaalin hajoamisen tai prekursorin mutageenisuuden suhteen. Jatkotutkimuksissa voidaan hyödyntää aikaisempien ALD-reaktioiden prekursoreita ja reaktiopolkuja, sekä olosuhteita.
Description
Supervisor
Kontturi, Eero
Thesis advisor
Philip, Anish
Keywords
ALD, CVD, thin films, chromium oxide, chromium dioxide
Other note
Citation