Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie an Gruppe-III-Nitriden und Übergangsmetall-Oxiden

Abstract

Die Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) ist eine experimentelle Untersuchungsmethode, bei der monoenergetische Primärelektronen (0,1 -2,9keV) auf eine Proben-Oberfläche treffen und mit charakteristischen Energieverlusten reflektiert werden. Dabei werden zahlreiche Wechselwirkungen mitden Elektronen des Festkörpers beobachtet, die im Valenzband oder in atomaren Rumpfniveaus gebunden sind. Das Spektrum der inelastisch gestreutenPrimärelektronen liefert dadurch tiefe Einblicke in die elektronische Struktur des jeweils untersuchten Materials. Zusammen mit anderen Methode derFestkörper-Analytik, wie der Photoelektronen-Spektroskopie und optischen Messungen, erhält man ein umfassendes Bild der Festkörper-Eigenschaften, waseine Charakterisierung und Qualitätskontrolle von Proben ermöglicht. Einige Festkörper-Materialien wurden dabei erstmalig mit derElektronen-Energieverlust-Spektroskopie untersucht, wodurch neue Erkenntnisse über deren Bandstruktur gewonnen wurden. Einen Schwerpunkt stellen Untersuchungen der Gruppe-III-Nitride AlN, GaN, InN, sowie deren Mischsysteme AlxGa1-xN, InxGa1-xN dar. Es handelt sichdabei um moderne III-V-Halbleiter, die einen großen Bandkanten-Abstand von 1,9eV (InN) bis 6,1eV (AlN) aufweisen. Durch eine direkte Bandlücke eignensich diese Halbleiter-Materialien, im Gegensatz zur Silizium-Technologie, für optoelektronische Bauelemente wie Leucht- und Laserdioden. InEELS-Messungen mit Anregungsenergien über 1keV werden ausgeprägte kollektive Anregungen in AlN bei 21eV und in GaN bei 15eV beobachtet. Nachdem Drude-Modell wird dies als Plasmaresonanz von quasifreien Elektronen beschrieben. Im Mischsystem AlxGa1-xN wird ein 2-Moden-Verhaltenbeobachtet. Bis x = 0,2 bleibt eine GaN-ähnliche Anregung erhalten, während sich ab x = 0,44 die Eigenfrequenz einer AlN-ähnlichen Resonanz kontinuierlichverschiebt. Diese Anregungen erweisen sich als empfindlich bezüglich Sauerstoff-Verunreinigungen. Mit Vanadiumdioxid wurde ein d1-Übergangsmetalloxid untersucht, das bei 68°C einen Halbleiter-Metall-Übergang durchläuft. Die unterschiedlicheTransmission für Infrarot-Strahlung, die sich in den jeweiligen Phasen einstellt, ermöglicht den Einsatz von VO2 in energiesparendenFensterglas-Beschichtungen. In den EELS-Valenzbandspektren tritt, neben Bandübergängen aus dem O2p[sigma]- und O2p[pi]-Band, ein intensives Signal miteiner Verlustenergie von 1eV auf, das bislang als Plasmon der schwachgebundenen V3d-Elektronen interpretiert wurde. EELS-Studien an W- und F- dotiertenVO2 zeigen hingegen, daß es sich um einen Bandübergang aus dem V3d- in das pd[pi]*-Band handelt. Anhand von Signalverschiebungen wurde nachgewiesen,daß der Einbau von Fluor zwei scheinbar widersprüchliche Effekte auf die Bandstruktur von Vanadiumdioxid zur Folge hat: Einerseits werden freieLadungsträger im V3d-Band erzeugt; andererseits wird eine Verschiebung des Valenzbandes zu höheren Bindungsenergien beobachtet, was als eineStabilisierung der halbleitenden Eigenschaften anzusehen ist. EELS-Studien wurden erstmals auch an Bleiwolframat PbWO4 und Kalziumwolframat CaWO4 durchgeführt. Während die Valenzbänder beider ternärerÜbergangsmetall-Oxide eine ähnliche Struktur aufweisen, konnte gezeigt werden, daß deutliche Unterschiede zwischen den Leitungsbändern beiderVerbindungen vorliegen.