In-situ RHEED-Untersuchungen des PLD-Wachstums von oxidischen Multilagen für die Entwicklung von Bauelementen

Hirsch, Alexander

Komplexe oxidische Materialien lassen sich aufgrund interessanter Eigenschaften als elektrische Sensoren, Aktoren und in Bauelementen nutzen. Voraussetzung für die technische Nutzung der Eigenschaften ist das kontrollierte Wachstum qualitativ hochwertiger dünner Schichten. Die Kombination der Wachstumsmethode der gepulsten Laserdeposition (PLD) mit der in-situ Charakterisierungstechnik des reflection high energy electron diffraction (RHEED) ermöglicht die Anwendung innovativer Konzepte zur Herstellung von oxidischen Schichten hoher Qualität in einem zweidimensionalen Wachstumsmodus. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Wachstum von halbleitendem Zinkoxid, von magnetischem Lanthankalziummanganat und von multiferroischen Supergittern in Hinblick auf die Anwendung in mehrlagigen Bauelementen untersucht und optimiert. Zunächst wurden das in-situ RHEED-PLD-System und der Prozess der Herstellung und Strukturierung in Hinblick auf das Wachstum von Multilagen weiterentwickelt, optimiert und automatisiert. Als Voraussetzung für die p-Dotierung des Materials Zinkoxid wurden innovative Wachstumskonzepte untersucht und angewendet. RHEED-Oszillationen, die dem Wachstum einer ladungsneutralen Lage zugeordnet werden können, konnten beobachtet werden. Mit der Methode der pulsed laser interval deposition (PLID) wurde Zinkoxid zweidimensional auf GaN/Saphir aufgewachsen. Dies zeigt eine Möglichkeit auf für die Verbesserung der Herstellung von qualitativ hochwertigen Hybrid-Bauelementen aus Galliumnitrid und Zinkoxid. Das Wachstum von Lanthankalziummanganat wurde optimiert. Sowohl mit der Methode der kontinuierlichen Deposition als auch mit der PLID-Methode konnte das Material zweidimensional unter der Beobachtung von RHEED-Oszillationen aufgewachsen werden. Die Abhängigkeit der strukturellen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften von der Kalziumdotierung wird diskutiert. Darüber hinaus wurden Supergitter aus alternierenden Lagen von ferromagnetischem Lanthankalziummanganat und ferroelektrischem Bariumtitanat mit Kontrolle über die in-situ RHEED-Charakterisierung in sehr guter struktureller Qualität der Schichten und Grenzflächen bis hin zu 195 Lagen aufgewachsen. Auf eine mögliche magneto-elektrische Kopplung deutet die Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Dicke der Bariumtitanatlage hin.

Complex oxides are interesting materials to be applied in new sensor and actuator research and development. The controlled deposition of high-quality thin films is crucial to achieve their technical implementation in electronic devices. The combination of the pulsed laser deposition (PLD) growth technique and the in-situ reflection high energy electron diffraction (RHEED) characterization technique, enables the application of new and innovative concepts with respect to the fabrication of high-quality thin films in a two-dimensional growth mode. In this thesis the growth of semi-conducting zinc oxide, magnetic lanthanum-calcium manganite and multiferroic superlattices is investigated and optimized with respect to their application in multi-layered electronic devices. First, the in-situ RHEED-PLD-system as well as the process of fabrication and lithographically patterning of thin films was enhanced, optimized and automated with respect to multilayer growth. Following this, new growth concepts as basis for p-type doping of zinc oxide were investigated. The in-situ RHEED-characterization was used and due to a two-dimensional growth mode intensity oscillations have been observed having an oscillation period corresponding to one charge-neutral molecular layer of zinc oxide being deposited. By applying the pulsed laser interval deposition (PLID) technique two-dimensional growth of zinc oxide on gallium nitride/sapphire substrates was imposed demonstrating an improvement for fabricating hybrid applications. The PLD-growth of lanthanum-calcium manganite was optimized making it possible to grow the material in a two-dimensional growth mode using the method of continuous deposition and equally the PLID-technique. With both techniques RHEED-intensity oscillations have been observed. In addition the dependence of the structural, magnetical and electrical properties of the thin films as a function of the calcium concentration was investigated. By using the in-situ RHEED-PLD-technique high-quality superlattices composed of alternating layers of ferromagnetic lanthanum-calcium manganite and ferroelectric barium titanate were grown up to thicknesses of 195 layers. The dependence of the magnetic properties of the superlattices from the thickness of the barium titanate layer indicates a potential multiferroic coupling.

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Hirsch, Alexander: In-situ RHEED-Untersuchungen des PLD-Wachstums von oxidischen Multilagen für die Entwicklung von Bauelementen. 2013.

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