velikost textu

Mechanical and Electrical Properties of Microcrystalline Silicon Thin Films

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Mechanical and Electrical Properties of Microcrystalline Silicon Thin Films
Název v češtině:
Mechanické a elektrické vlastnosti tenkých vrstev mikrokrystalického křemíku
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Aliaksei Vetushka, Ph.D.
Školitel:
RNDr. Antonín Fejfar, CSc.
Oponenti:
prof. RNDr. Vladimír Čech, Ph.D.
doc. RNDr. Petr Sládek, CSc.
Id práce:
42569
Fakulta:
Matematicko-fyzikální fakulta (MFF)
Pracoviště:
Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. (32-FZUAV)
Program studia:
Fyzika (P1701)
Obor studia:
Kvantová optika a optoelektronika (F6)
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
29. 3. 2011
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova v angličtině:
Microcrystalline silicon; Mechanical stress; Raman scattering; Chemical vapor deposition; Atomic force microscopy; Raman spectroscopy
Abstrakt:
Abstract Amorfní a nano- nebo mikro- krystalické tenké vrstvy křemíku jsou intenzivně studované materiály pro fotovoltaické aplikace. Jsou používány jako intrinsické vrstvy (absorbéry) v p-i-n solárních článcích. V porovnání se solárními články založenými na deskách řezaných z krystalického křemíku, tenkovrstvé články obsahují asi 100x méně křemíku a mohou být deponovány při výrazně nižších teplotách (typicky okolo 0C). 200 To umožňuje ušetřit energii nutnou pro výrobu a dovoluje použití různých levných (i ohebných) podložek. Nicméně, tyto vrstvy mají komplexní mikrostrukturu, která komplikuje měření a popis elektronického transportu fotogenerovaných nosičů náboje. Pochopení struktury a elektronických vlastností materiálů v měřítku nanometrů je přitom zásadní na cestě ke zlepšení účinnosti tenkovrstvých solárních článků. Jedním z hlavních cílů této práce je studium strukturních a mechanických vlast- ností smíšených tenkých vrstev křemíku s různými tloušťkami a strukturou. Klíčovým parametrem mikrokrystalického křemíku je krystalinita, tj. objemový podíl mikrokrys- talické fáze. Ten určuje interní strukturu vrstvy, která rozhoduje o mnoha dalších vlastnostech jako je transport náboje a mechanická stabilita. Ramanovská mikrospek- troskopie je rychlá a nedestruktivní metoda pro měření mikrostruktury. Faktory, které pro případ tenkých vrstev křemíku mohou ovlivnit měření, jsou v práci po- drobně diskutovány. Je zde také popsána metoda pro výpočet krystalinity z Ra- manovských spekter. Ukázali jsme také, že ramanovské mapování může být prove- deno s velmi vysokým rozlišením, které v některých případech může překonat omezení dané optickým difrakčním limitem. Ramanovská spektroskopie může nejen rozlišit amorfní fázi od mikrokrystalických zrn, ale také poskytnout informace o lokálním pnutí ve vrstvě, které je důležité pro vlastnosti a stabilitu vrstev na ohebných podložkách. Zavedli jsme originální způsob vytváření mechanického pnutí, kdy křemíkové vrstvy deponujeme na AFM raménka, která pak ohýbáme pomocí mikromanipulátoru a vytváříme tak dodatečné (extrin- sické) pnutí. Ukázali jsme, že pozice Ramanovského pásu se mění lineárně s apliko- vaným napětím pro amorfní a mikrokrystalický křemík. Mohli jsme tak porovnat také stav vrstvy pod napětím a v relaxovaném stavu. Dalším cílem této práce byla mikroskopická studie transportu náboje v hydrogen- ovaném mikrokrystalickém křemíku s nanometrovým rozlišením. Poslední část práce popisuje výsledky studia vrstev pomocí vodivostní mikroskopie atomárních sil (C- AFM). Tenké vrstvy mikrokrystalického křemíku byly studovány jak v koplanární, tak v sandwich konfiguraci. Výsledky C-AFM naměřené v ultra vysokém vakuu a na vzduchu jsou diskutovány a porovnány, včetně lokálních I-V charakteristik. Bylo demonstrováno, že na vzduchu (kdy je vrstva křemíku pokryta vrstvou nativního oxidu a tenkou vrstvou zkondensované vody) může samotné C-AFM měření měnit lokální vlastnosti měřeného vzorku díky lokální anodické oxidaci a záchytu náboje na rozhraní mezi křemíkem a jeho oxidem. Ukázali jsme, jak oba tyto procesy mo- hou vest k artefaktům, které zásadně mění charakter vodivostních map, například ke vzniku prstenců zvýšené vodivosti na hranicích zrn. Odhalili jsme oxidaci sousedních řádků jako zdroj artefaktů, který se objevuje i po prvním měření na dosud nedotčeném povrchu. Ukázali jsme také, jak tomuto artefaktu zamezit. Pro podporu našich závěrů byl odleptán nativní oxid pomocí kyseliny fluorovodíkové. Demonstrovali jsme tak, že po oleptaní jsou mapy lokálních proudů měřené na vzduchu porovnatelné s měřením v ultra vysokém vakuu.
Abstract v angličtině:
Abstract Amorphous and nano- or micro- crystalline silicon thin films are intensively studied materials for photovoltaic applications. The films are used as intrinsic layer (absorber) in p-i-n solar cells. As opposed to crystalline silicon solar cells, the thin films contain about hundred times less silicon and can be deposited at much lower temperatures 0C) (typically around 200 which saves energy needed for production and makes it possible to use various low cost (even flexible) substrates. However, these films have a complex microstructure, which makes it difficult to measure and describe the electronic transport of the photogenerated carriers. Yet, the understanding of the structure and electronic properties of the material at nanoscale is essential on the way to improve the efficiency solar cells. One of the main aims of this work is the study of the structure and mechanical properties of the mixed phase silicon thin films of various thicknesses and structures. The key parameter of microcrystalline silicon is the crystallinity, i.e., the microcrys- talline volume fraction. It determines internal structure of the films which, in turn, decides about many other properties, including charge transport and mechanical sta- bility. Raman microspectroscopy is a fast and non-destructive method for probing the microstructure. The factors which can influence the measurement are considered for the case of silicon thin films. The method of crystallinity evaluation by the Raman microspectroscopy is described. It is also shown that Raman mapping can be done with very high resolution which sometimes can overcome the resolution limit due to optical diffraction. The Raman spectroscopy can not only distinguish amorphous tissue from micro- crystalline grains but it also provides information about local stress in the film, which has a special importance for the properties and stability of the films on flexible sub- strates. We introduced an original setup for the stress creation in which the silicon films were deposited on the AFM cantilevers and then bent by a micromanipulator to introduce an extrinsic stress. We demonstrated that the positions of the Raman peaks changed linearly with the applied stress both for amorphous and microcrys- talline silicon and we were able to compare the same film in stressed and relaxed states. Another aim of this work was the microscopic study of the charge transport in hydrogenated microcrystalline silicon with nanometer resolution. The final part of the thesis covers the results of the conductive atomic force microscopy (C-AFM) study. Thin films of microcrystalline silicon were studied both in coplanar configuration as well as in ”sandwich” setup. Results of C-AFM made in ultra high vacuum and in ambient atmosphere are discussed and compared, including the local I-V character- istics. It was demonstrated that in ambient atmosphere (under which the silicon film is covered by a layer of native oxide and thin layer of condensed water) the C-AFM measurement itself may change the properties of measured sample due to the local anodic oxidation and charge trapping at the interface between silicon and its oxide. It was shown how both these processes can lead to artifacts which can fundamentally change character of the conductive maps, leading for example to the appearance of conductive rings at the grain edges. We have identified the neighboring line oxidation as the origin of this artifact which occurs even upon the first scan of a pristine sur- face. We also show how to avoid these artifacts. To support our conclusions the native oxide was stripped away by HF acid and we demonstrated that after the etching the character of maps of local currents measured in ambient air became comparable to the maps measured in ultra high vacuum.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce 21.23 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce 30 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky 27 kB
Stáhnout Posudek vedoucího RNDr. Antonín Fejfar, CSc. 150 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. RNDr. Vladimír Čech, Ph.D. 1.11 MB
Stáhnout Posudek oponenta doc. RNDr. Petr Sládek, CSc. 272 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby prof. RNDr. Petr Malý, DrSc. 103 kB