Reactivity in organic precursors in atomic/molecular layer deposition

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-01-23
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
65
Series
Abstract
The modern era constantly requires thinner and more complex materials. A combined atomic and molecular layer deposition (ALD/MLD) is a versatile technique for depositing extremely thin but functional films. ALD/MLD has attracted interest due to the possibility to deposit high-quality inorganic-organic hybrid thin films with mixed properties from both inorganic and organic parts of the thin film. The organic parts of the ALD/MLD hybrid thin films can enhance a great number of properties such as flexibility and electric effects. Although most of the research focuses on developing novel ALD/MLD processes and characterizing the material properties, it is needed to consider how the reactivity of precursor compounds affect the growth and stability of the thin film. In this thesis, reactivity of organic materials is reviewed to investigate which makes organic compound reactive and how does reactivity affect the stability of the thin film. In this thesis, five inorganic-organic hybrid materials were fabricated by ALD/MLD. Four of them were completely novel: Co-BDT, Co-HQ, Fe-ADN, and Fe-ADH. For broader study about the reactivity and stability of different organic compounds, also Co-TPA thin films were deposited. The processes were developed, and the thin films were characterized with various characterizing methods. Lastly, the reactivity and stability of thin films were analysed on the perspective of the film growth and aging stability. The Co-based materials deposited in this thesis yielded high-quality hybrid thin films. Fabrication of the Fe-based materials turned out to be more challenging: Neither of the Fe-based materials showed saturation, and precursors might not have reacted fully. However, Fe-ADH showed interestingly crystalline structure which attracts further interest on the material. Additionally, further research and development of novel ALD/MLD hybrid thin films is needed for better understanding of reactivity and its effects on thin films.

Tulevaisuuden ohutkalvoilta vaadittavat ominaisuudet vaihtelevat äärimmäisen ohuiden kalvonpaksuuksien ja monimutkaisten funktionaalisuuksien välillä. Yhdistetty atomi- ja molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD) mahdollistaa ohuiden mutta toiminnallisten ohutkal-vojen kasvatuksen. ALD/MLD on kasvattanut kiinnostustaan, sillä tekniikalla on mahdollis-ta kasvattaa korkealaatuisia epäorgaanis-orgaanisia hybridi ohutkalvoja, joiden ominaisuu-det vaihtelevat lähtöaineiden mukaisesti. Orgaanisen yhdisteen tarkalla valinnalla voi tehostaa useita ohutkalvon ominaisuuksia kuten joustavuutta ja sähkönjohtokykyä. Tutkimuksen keskittyessä uusiin ALD/MLD-prosesseihin, on tärkeää selvittää, miten lähtöaineiden reaktiivisuus vaikuttaa ohutkalvon kasvuun ja stabiiliuteen. Tässä diplomityössä tutkitaan orgaanisten yhdisteiden reaktiivisuutta ja sen vaikutusta ALD/MLD-ohutkalvojen kasvuun ja stabiiliuteen. Tässä diplomityössä valmistetaan viisi ALD/MLD hybridi materiaalia. Neljä kasvatetuista ohutkalvoista on täysin uusia: Co-BDT, Co-HQ, Fe-AND ja Fe-ADH. Jotta tutkimus erilaisten orgaanisten yhdisteiden reaktiivisuuden vaikutuksesta ALD/MLD-materiaaleihin olisi kattavampi, kasvatettiin lisäksi Co-TPA ohutkalvoja. Prosessinkehitys ja materiaalien karak-terisointi tehtiin kaikille edellä mainituille materiaaleille. Lopuksi lähtöaineiden reaktiivi-suutta ja kasvatettujen ohutkalvojen stabiiliutta tutkittiin ohutkalvon kasvun ja ikääntymi-sen näkökulmasta. Tässä diplomityössä kasvatetut kobolttipohjaiset materiaalit olivat laadukkaita. Rautapoh-jaisten materiaalien kasvatus osoittautui haastavaksi eikä kumpikaan materiaali saavuttanut saturaatiota. On mahdollista, että rautapohjaisissa prosesseissa lähtöaineet eivät olleet tarpeeksi reaktiivisia, eivätkä siksi reagoineet loppuun asti. Kuitenkin Fe-ADH:n kiderakenne osoittautui kiteiseksi, joka lisää kiinnostusta materiaalin myöhemmästä tutkimuksesta. Jatkotutkimus uusista ALD/MLD-materiaaleista on välttämätöntä, jotta ymmärrys reaktiivisuudesta ja sen vaikutuksista ohutkalvoihion on laajempi.
Description
Supervisor
Karppinen, Maarit
Thesis advisor
Jussila, Topias
Keywords
atomic and molecular layer deposition, reactivity, organic backbone, hybrid thin film
Other note
Citation