Gluba, Marc A.: Atomare und elektronische Struktur von Akzeptorkomplexen und Oberflächen des Zinkoxids. , 2010
Technische Universität Berlin
http://d-nb.info/1007649054/34

Abstract:
Zinkoxid (ZnO) zeigt eine starke inhärente n-Typ-Leitung. Die Herstellung von p-dotierten ZnO-Kristallen oder Schichten ist daher schwierig. Trotz einiger experimenteller Erfolge [Look et al., physica status solidi (a) 201, (2004) 2203] bleibt die Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität eine große Herausforderung. Ein vielversprechender Kandidat für p-Dotierung in ZnO ist substitutioneller Stickstoff auf einem Sauerstoffplatz. Die experimentell erzielte Dotiereffizienz beträgt jedoch nur 10^{-4} [Tsukazaki et al., Nature Materials 4, (2005) 42]. In der vorliegenden Arbeit werden drei grundlegende Ursachen für das Ausbleiben aktivierter Akzeptoren diskutiert: - Stabilität von Zwischengitteradatomen auf polaren ZnO-Oberflächen. Es konnte gezeigt werden, daß Adatomrekonstruktionen auf den polaren {0001}-Oberflächen die energetisch günstigste Struktur der (2x2)- und (3x3)-periodischen Rekonstruktionen darstellen. Um die Vergleichbarkeit dieses Ergebnisses mit Experimenten unter realen Bedingungen zu ermöglichen wurden Phasendiagramme der stabilen Rekonstruktionen bei endlichen Temperaturen zusammengestellt. Diese zeigen, daß die periodische Anordnung von Adatomen nicht auf einem Gitterplatz, sondern im Zwischengitter zur Stabilisierung der polaren ZnO-Oberflächen führt. Die Tendenz zur Anlagerung von Adatomen im Zwischengitter ist eine mögliche Ursache der Bildung von intrinsischen Punktdefekten, die als eine Quelle der natürlichen n-Dotierung betrachtet werden. - Kompensation potentieller Akzeptoren durch Verunreinigungen. In Elektronenspinresonanzuntersuchungen konnte die Verunreinigung nominell undotierter ZnO-Substrate mit Spuren von Manganionen mit einer Konzentrationen von 10^{14} cm^{-3} nachgewiesen werden. Dabei ist das Auftreten der charakteristischen Manganresonanz an das gleichzeitige Vorhandensein von Wasserstoffdonatoren gebunden. Zur Erklärung der wasserstoffaktivierten Manganresonanz wurde ein mikroskopisches Modell entwickelt, welches auf der Umladung eines Mangan-Akzeptor-Komplexes infolge der Wasserstoffdotierung basiert. Es wurde gezeigt, daß die Komplexbildung mit einem Stickstoffakzeptor zur Verschiebung des Mn(2+/3+)-Umladungsniveaus von Ev+0.5 eV für substitutionelles Mangan zu Ec+0.1 eV für Mangan im Akzeptorkomplex führt. Der im Komplex gebundene Stickstoffakzeptor trägt dabei nicht mehr zur Erzeugung freier Defektelektronen bei. - Bildung von molekularem Stickstoff. Theoretische Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit zeigen, daß Stickstoffmoleküle im ZnO sowohl als isoliertes Molekül, als auch in Form von N2O, an ein Sauerstoffatom des Gitters gebunden, vorliegen können. Die Defektstruktur eines isolierten N2-Moleküls in der Basalebene besitzt dabei die geringste Bildungsenergie. Die Verzerrung des ZnO-Gitters infolge des Moleküleinbaus führt zu lokalisierten Zuständen in der Bandlücke, die Defektelektronen aktivierter Akzeptoren binden können. Die vibronischen Eigenschaften der N2- und N2O-Moleküle im ZnO-Kristall wurden untersucht. Die Frequenz der N-N-Streckschwingung der Defektkonfigurationen beträgt 2010 cm^{-1} für N2 parallel zur c-Achse, 2191 cm^{-1} für N2 in der Basalebenen und 1651 cm^{-1} bei Bildung von N2O. Zusammenfassend können aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit mögliche Verbesserungen abgeleitet werden. So sollte das Wachstum von ZnO aufgrund der Neigung zu intrinsischen Punktdefekten möglichst an Stufen, beispielsweise durch Verwendung abgeschrägter Substrate, anstelle eines lagenweisen Wachstumsmodus erfolgen. Des Weiteren kann nur die Verwendung hochreiner Ausgangsmaterialien eine wirksame Kontrolle der ZnO-Dotierung sicherstellen. Die nachträgliche Bildung von Stickstoffmolekülen, die einen Grund für die Reduktion aktiver Stickstoffakzeptoren darstellt, könnte durch Kodotierungsansätze vermieden werden. Hier müßte ein Komplex gefunden werden, der das Stickstoffatom auf dem substitutionellen Gitterplatz hält, und trotzdem die elektronische Struktur des