Zur Kurzanzeige

Structural and optical impact of transition metal implantation into zinc oxide single crystals and nanowires

dc.contributor.advisorRonning, Carsten Prof. Dr.de
dc.contributor.authorMüller, Svende
dc.date.accessioned2009-04-30T15:30:43Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:39:49Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:11Zde
dc.date.issued2009-04-30de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B487-7de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2877
dc.description.abstractÜbergangsmetall legiertes Zinkoxid (ZnO) Materialien sind aussichtsreiche Kandidaten für Spin-Elektronik (Spintronik) und optoelektronische Anwendungen. Diese Anwendungen basieren auf der Wechselwirkung zwischen den ZnO-Wirtsgitter und den einlegierten Übergangsmetallionen, die eine ferromagnetische Ausrichtung der Übergangsmetallspins mit einer Curie-Temperatur oberhalb der Raumtemperatur hervorrufen kann. Andererseits beeinflussen das Kristallfeld, die Spin-Bahn- und Jahn-Teller-Wechselwirkung mit dem ZnO Wirtskristall die elektronische Struktur der 3d-Schale der Übergangsmetallionen. Infolge dessen sind optische Übergänge zwischen den 3d-Schalenzuständen teilweise erlaubt. Die Kontrolle der Übergangsmetallkonzentration als auch die Bildung von sekundären Phasen stellen die größten Probleme nicht nur für die Herstellung von Übergangsmetall legierten ZnO-Einkristallen und dünnen Schichten dar, sondern auch für Nanodrähte. Für die Herstellung von ZnO Nanodrähten wird häufig der Vapour-Liquid-Solid Mechanismus verwendet, welcher anhand des Wachstums von ZnO Nanodrähten erörtert wird, wobei auf die Problematik des Einlegierens von Übergangsmetallen eingegangen wird. Die Ionenimplantation nach dem Wachstum von Einkristallen, dünne Filme und Nanodrähte ist eine alternative Methode für die kontrollierten Einbau von Übergangsmetallen in ZnO. Allerdings erzeugt die Ionenimplantation Kristalldefekte, die durch eine Intensitätszunahmen des A1(LO) Phononen-Unordnungsbandes an implantierten ZnO beobachtet wurde. Das Anlassen an Luft bei verschiedenen Temperaturen führt zur Reduzierung eines Großteils der Kristalldefekte. Übergangsmetall implantierte ZnO Proben, die mit hohen Ionendosen implantiert wurden, weißen nach dem Anlassen neue Ramanmoden und Braggreflexe auf, die nicht dem ZnO zugeordnet werden können. Eine detaillierte Analyse dieser Signale offenbart die Bildung von Übergangsmetallreichen Ausscheidungen. Photolumineszenz- und Kathodolumineszenzmessungen weißen zwei neue tiefe Lumineszenzbänder nach der Ionenimplantation von Übergangsmetallen und dem Ausheilen auf. Das rot-gelben Lumineszenzband wurde interstitiellem Sauerstoff mit tetraedrischer Umgebung zugeordnet. Das strukturierte grüne Lumineszenzband wird üblicherweise Cu Verunreinigungen zugeordnet. Dennoch wurde das Configuration-Coordinate Modell benutzt um das strukturierte grüne Lumineszenzband zu erklären, wobei das strukturierte grüne Lumineszenzband sich aus zwei Donator-Akzeptor Übergängen zusammensetzt mit dem gleichen tiefen Akzeptor und zwei unterschiedlichen Donatoren. Die chemische Natur des tiefen Akzeptor wurde interstitielle Sauerstoff mit oktaedrischen Umgebung zugeordnet, und die beiden flachen Donatoren wurden interstitielle Zink mit oktaedrischen sowie tetraedrischen Umgebung zugeordnet. Die Co und Fe implantierte ZnO-Proben zeigen, zusätzliche definierte Lumineszenzlinien, die den intra-3d Lumineszenzübergängen der Co2+ und Fe3+ Ionen im ZnO-Wirtsgitter zugeordnet. Der Intensitätsanstieg der Intra-3d Lumineszenz mit steigender Anregungsleistung ist nahezu linear und weist einen stärkeren Anstieg für Anregungsleistungen oberhalb von 300 mW/cm2 auf, was auf einen Übergang von spontaner Emission zu stimulierter Emission hinweist.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/de
dc.titleStructural and optical impact of transition metal implantation into zinc oxide single crystals and nanowiresde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedStrukturelle und optische Auswirkungen derÜbergangsmetallimplantation in ZnO Einkristalle und Nanodrähtede
dc.contributor.refereeRonning, Carsten Prof. Dr.de
dc.date.examination2009-03-30de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.description.abstractengTransition metal alloyed zinc oxide (ZnO) materials are promising candidates for spin-based electronics (spintronics) and optoelectronic applications. The interaction between the ZnO host lattice and the incorporated transition metal ions form the basis for these applications and can induce a ferromagnetic alignment of the transition metal spins with a Curie temperature above room temperature. On the other hand, the electronic structure of the 3d-shell of the transition metal ions is affected by the crystal field, spin-orbit and Jahn-Teller interaction with the ZnO host matrix. As a result, optical transitions between the 3d-shell states become partly allowed. The control of the transition metal concentration as well as the formation of secondary phases are the major issues not only for the preparation of transition metal alloyed ZnO single crystals and thin films but also for nanowires. Commonly ZnO nanowires are grown via the vapour liquid solid mechanism, which is discussed for ZnO nanowires with respect to the issues of the transition metal incorporation. Ion implantation after the growth of single crystals, thin films and nanowires is an alternative method for the controlled incorporation of transition metals into ZnO. However, ion implantation generates crystal defects, which are observed by an intensity increase of the A1(LO) phonon disorder band of as implanted ZnO. Annealing under air ambient at different temperature stages leads to an reduction of a major part of these defects. High dose transition metal implanted ZnO samples show after annealing some additional Raman modes and Bragg diffractions, which can not be assigned to ZnO. A detailed analysis of this signals reveals the formation of several transition metal rich segregations. On the other hand, photoluminescence and cathodoluminescence measurements show two new deep luminescence bands after transition metal ion implantation and annealing. The red-yellow luminescence band is assigned to interstitial oxygen defects with tetrahedral surroundings. The structured green luminescence band is commonly assigned to Cu impurities. However, the configuration coordinate model is used to explain the structured green luminescence band, whereby the structured green luminescence band is a superposition of two donor-acceptor transitions with the same deep acceptor and two different shallow donors. The chemical nature of the deep acceptor is assigned to interstitial oxygen on an octahedral site, and the two shallow donors are assigned to interstitial zinc on octahedral as well as tetrahedral sites. Co and Fe implanted ZnO samples show additional sharp luminescence lines, which are assigned to intra-3d-shell transitions of Co2+ and Fe3+ ions in the ZnO host lattice. The intensity of intra-shell luminescence increases almost linearly with increasing excitation power and exceeds the linear behaviour for excitation power densities above 300 mW/cm2, which suggest a transfer from spontaneous emission to stimulated emission.de
dc.contributor.coRefereeUlbrich, Rainer G. Prof. Dr.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerNanodrahtde
dc.subject.gerZinkoxidde
dc.subject.gerPhotolumineszenzde
dc.subject.gerKathodolumineszenzde
dc.subject.gerIonenimplantationde
dc.subject.gerLeuchtzentrende
dc.subject.gerDotierungde
dc.subject.gerÜbergangsmetallede
dc.subject.gerEisende
dc.subject.gerNickelde
dc.subject.gerMangande
dc.subject.gerKobaltde
dc.subject.gerVanadiumde
dc.subject.gerinterstitieller Sauerstoffde
dc.subject.gerinterstitielles Zinkde
dc.subject.gergrünes Lumineszenzbandde
dc.subject.gerrot-gelbes Lumineszenzbandde
dc.subject.gerintra-3d Lumineszenzde
dc.subject.gerZweiphasende
dc.subject.gerRamande
dc.subject.gerRöntgenbeugungde
dc.subject.engnanowirede
dc.subject.engzinc oxidede
dc.subject.engphotoluminescencede
dc.subject.engcathodoluminescencede
dc.subject.engion implantationde
dc.subject.engcolor centerde
dc.subject.engdopingde
dc.subject.engtransition metalsde
dc.subject.engironde
dc.subject.engnickelde
dc.subject.engmanganesede
dc.subject.engcobaltde
dc.subject.engvanadiumde
dc.subject.enginterstitial oxygende
dc.subject.enginterstitial zincde
dc.subject.enggreen luminescence bandde
dc.subject.engred-yellow luminescence bandde
dc.subject.engintra-3d-shell luminescencede
dc.subject.engsecondary phasesde
dc.subject.engramande
dc.subject.engX-ray diffractionde
dc.subject.bk33.07de
dc.subject.bk33.61de
dc.subject.bk33.72de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2104-2de
dc.identifier.purlwebdoc-2104de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullRVC 000: Kristalline Festkörper {Physik: Kondensierte Materie}de
dc.subject.gokfullRVC 340: Fremdatome in Kristallen {Physik: Kristalline Festkörper: Kristallgitterfehler}de
dc.subject.gokfullRVC 360: Farbzentren {Physik: Kristalline Festkörper: Kristallgitterfehler}de
dc.subject.gokfullRVC 520: Gitterschwingungende
dc.subject.gokfullPhononen {Physik: Anregungszustände in Kristallen}de
dc.subject.gokfullRVC 880: Optische Eigenschaften {Physik: Kristalline Festkörper}de
dc.subject.gokfullRVQ 000: Halbleiter {Physik}de
dc.subject.gokfullRVQ 220: Fremdatome {Physik: Halbleiter-Störstellen}de
dc.subject.gokfullRVQ 700: Bestrahlungseffekte in Halbleitern {Physik}de
dc.identifier.ppn611763702de


Dateien

Thumbnail

Das Dokument erscheint in:

Zur Kurzanzeige