Untersuchung von Dünnschicht-Übergangsmetall-Chalkogeniden hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Degradations-, optische Absorptionsund Transportmessungen an ausgewählten Übergangsmetallchalkogeniden untersucht. Dafür wurden dünne Schichten der Materialien HfSe2, ZrS3 und HfTe5 präpariert und untersucht. Zunächst konnte beim Übergangsmetalldichalkogenid HfSe2 unter Normalbedingungen eine Degradation festgestellt werden, die auf Einlagerung von Sauerstoff mit einem Diffusionsprozess durch das Oxid zurückzuführen war. Die Sauerstoffeinlagerung verursachte eine p-Dotierung im Material. In dem Zirkoniumverbund des Trisulfids ZrS3 wurden am Bulkmaterial eine indirekte Bandlücke mit einer Energie EG = 1.81 eV und eine direkte Bandlücke mit EG = 2.33 eV gemessen. Ein dauerhafter Photoeffekt konnte auf mindestens 3 Mechanismen mit verschiedenen charakteristischen Zeitkonstanten von 2 Minuten bis hin zu über 3 Stunden zurückgeführt werden. Das Maß für die Unordnung des Systems konnte mit der Urbach-Energie EU = 86 meV bestimmt werden. Bei zusätzlich angelegten elektrischen Feldern in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke lässt sich ein Photogating-Effekt aus zwei verschiedenen Störstellen in der Bandlücke beobachten. Bei dem Übergangsmetallpentachalkogenid HfTe5 konnte die Lifshitz-Verschiebung mit einer Kompensation der Fermi-Energie durch die Backgatespannung nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde eine deutliche Erhöhung der Mobilität zwischen 100 K und 150 K mit einer korrespondieren Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit festgestellt. In Abhängigkeit der Dicke des Materials konnte eine drastische Änderung der Energie der Bandlücke von 40 meV bis 304 meV erstmals gezeigt werden.

In the context of thiswork, degradation, optical absorption and transport measurements on selected transition metal chalcogenides were investigated. For this, thin layers of the materials HfSe2, ZrS3 and HfTe5 were prepared and examined. First of all, the transition metal dichalcogenide HfSe2 showed degradation under normal conditions, which was due to the incorporation of oxygen with a di usion process through the oxide. The oxygen storage caused a p-doping in the material. In the zirconium composite of the trisulfide ZrS3, an indirect band gap with an energy EG = 1.81 eV and a direct band gap with EG = 2.33 eV were measured on the bulk material. A permanent photo conductivity could be attributed to at least 3 mechanisms with different characteristic time constants from 2 minutes to over 3 hours. The degree for the disorder of the system could be determined with the Urbach energy EU = 86 meV. With additionally applied electric fields depending on the illuminance, a photogating e ect from two different impuritiy traps in the band gap can be observed. For the transition metal pentachalcogenide HfTe5, the Lifshitz transition could be verified by compensating the Fermi energy through the backgate voltage. In addition, a signi cant increase in mobility between 100 K and 150 K with a corresponding increase in electrical conductivity was found. Depending on the thickness of the material, a drastic change in the energy of the band gap from 40 meV to 304 meV could be shown for the first time.