Defektzustände in Halbleitern experimentell erfassen

Zinkoxid ist ein wichtiges Metalloxid für vielfältige Anwendungen. Im Bereich gedruckter Elektronik stellt dieses n-leitende Oxid ein Basismaterial z.B. als Halbleiter für Feldeffekttransistoren dar. Durch seine große Bandlücke ist es transparent und in Verbindung mit anderen Metalloxiden der Gruppen 13, 14 und 15 findet es bereits seit einigen Jahren kommerzielle Anwendung z.B. in Flachbildschirmen und Mobilgeräten.

Am Beispiel von kristallinen Zinkoxid Dünnfilmen konnten die Gruppen von Jörg J. Schneider (AC) und Christian Wagner am Helmholtzzentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) jetzt experimentell herausfinden, dass größere Defektcluster aufgebaut aus Sauerstoffleerstellen und Zink in Zwischengitterplätzen, einen entscheidenden, auch temperaturabhängigen Einfluß, auf das halbleitende Verhalten in diesen Dünnfilmen haben. Dazu wurde die Positronen-Anihiliations-spektroskopie (PAS) sowie darauf aufbauende Lebensdauermessungen der erzeugten Positronen e⁺ genutzt. Anhand der Bestimmung der Zerfallszeitkomponenten Ƭ_1- und Ƭ₂ lässt sich die Größe der Defektbereiche bestimmen. Zusätzliche Ƭ_3- und Ƭ_4- Messungen ermöglichen auch den Nachweis von Mikro- und Mesoporen im untersuchten Film. Deren Beitrag fällt jedoch mit ca. 5% gering aus. Die Methode birgt Potential für das Studium multinärer Metalloxidfilme.

Die Arbeit zeigt auch, wie auf kristallinen Zinkoxidfilmen durch Abscheidung und Umwandlung einer maßgeschneiderten, molekularen Koordinationsverbindung mittels Mikrowellenreaktion mikroskopische ZnO-Saatkristalle erzeugt werden können, die das Wachstum nanostrukturierter Zinkoxidstäbe erlauben. Diese eindimensionalen Nanostrukturen zeigen eine hohe UV-Empfindlichkeit, da Elektronen/Lochpaare erzeugt werden und die photoangeregten Elektronen die Leitfähigkeit drastisch erhöhen.

Die Thematik der Arbeit wurde für das Cover von Chemistry A European Journal (DOI: 10.1002/chem.202004270) ausgewählt. Zudem wird die Publikation und die Kooperation der Arbeitsgruppen in einem Cover Feature Artikel in Chemistry A European Journal 202 prominent vorgestell.