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 mit den Elektronen des Festkörpers beobachtet, die im Valenzband oder in atomaren Rumpfniveaus gebunden sind. Das Spektrum der inelastisch gestreuten Primärelektronen liefert dadurch tiefe Einblicke in die elektronische Struktur des jeweils untersuchten Materials. Zusammen mit anderen Methode der Festkörper-Analytik, wie der Photoelektronen-Spektroskopie und optischen Messungen, erhält man ein umfassendes Bild der Festkörper-Eigenschaften, was eine Charakterisierung und Qualitätskontrolle von Proben ermöglicht. Einige Festkörper-Materialien wurden dabei erstmalig mit der Elektronen-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 sich dabei um moderne III-V-Halbleiter, die einen großen Bandkanten-Abstand von 1,9eV (InN) bis 6,1eV (AlN) aufweisen. Durch eine direkte Bandlücke eignen sich diese Halbleiter-Materialien, im Gegensatz zur Silizium-Technologie, für optoelektronische Bauelemente wie Leucht- und Laserdioden. In EELS-Messungen mit Anregungsenergien über 1keV werden ausgeprägte kollektive Anregungen in AlN bei 21eV und in GaN bei 15eV beobachtet. Nach dem Drude-Modell wird dies als Plasmaresonanz von quasifreien Elektronen beschrieben. Im Mischsystem AlxGa1-xN wird ein 2-Moden-Verhalten beobachtet. Bis x = 0,2 bleibt eine GaN-ähnliche Anregung erhalten, während sich ab x = 0,44 die Eigenfrequenz einer AlN-ähnlichen Resonanz kontinuierlich verschiebt. 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 unterschiedliche Transmission für Infrarot-Strahlung, die sich in den jeweiligen Phasen einstellt, ermöglicht den Einsatz von VO2 in energiesparenden Fensterglas-Beschichtungen. In den EELS-Valenzbandspektren tritt, neben Bandübergängen aus dem O2p[sigma]- und O2p[pi]-Band, ein intensives Signal mit einer Verlustenergie von 1eV auf, das bislang als Plasmon der schwachgebundenen V3d-Elektronen interpretiert wurde. EELS-Studien an W- und F- dotierten VO2 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 freie Ladungsträger im V3d-Band erzeugt; andererseits wird eine Verschiebung des Valenzbandes zu höheren Bindungsenergien beobachtet, was als eine Stabilisierung der halbleitenden Eigenschaften anzusehen ist.

EELS-Studien wurden erstmals auch an Bleiwolframat PbWO4 und Kalziumwolframat CaWO4 durchgeführt. Während die Valenzbänder beider ternärer Übergangsmetall-Oxide eine ähnliche Struktur aufweisen, konnte gezeigt werden, daß deutliche Unterschiede zwischen den Leitungsbändern beider Verbindungen vorliegen.