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Transparente Leitende Oxide (TCO)
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• Wofür werden TCOs benötigt?
• Wie kommen diese Eigenschaften zustande?
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Anwendungen
• LCD-Bildschirme
• Plasmabildschirme
• (organische) Solarzellen
• OLEDs
• Dünnschicht Solarzellen
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Solarzellen und OLEDs
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Marktentwicklung von LCD-TV
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Entwicklung des Weltenergieverbrauchs bis 2100
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Indiumproduktion
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Indiumpreise
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Lösung
• Mehr Recyceln:– Problem:
• Dünne Schichten-> niedrige Konzentrationen von In
• Neuer Stoff:– Verfügbarkeit der Ausgangsstoffe– Gleich hohe Leitfähigkeit– Gleich hohe Transparenz
• Wie kommt man zu den Eigenschaften?
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Leitende Materialien
• Elektrische Leitfähigkeit:
• Metalle:
– Elektronen als Elektronengas gut verfügbar + gute Beweglichkeit
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Leitende Materialien
• Widerstände Metalle:– Eisen: 1 · 10-5 Ωcm– Kupfer: 1,7 · 10-6 Ωcm– Zink: 5,9 · 10-6 Ωcm– Indium 8,3 · 10-6 Ωcm
• Ladungsträgerkonzentration Kupfer:9 · 1022cm-3
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Leitende Materialien
• Metalle– Nicht transparent
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Sichtbares Licht
Daraus folgt: •Wir benötigen Material das im Bereich von 1,5eV bis 3eV keine elektronische Anregung zeigt
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Halbleiter
• Besitzen Bandlücke
• Muss mindestens 3eV groß sein
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Bandlücke von Stoffen
Bandlücke /[eV] Ladungsträgerkonzentration /[cm -̂3] Widerstand /[Ohm cm]Diamant 5,6 0 unendlichIn2O3 3,8 7*10 2̂0 9*10 -̂1ZnO 3,4 3*10 2̂0 9*10 -̂1
Silizium: 1,1 1,1+10 1̂0 3*10 5̂
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Halbleiter - Widerstand
• Problem:– Widerstand bei Raumtemperatur hoch
• Lösung:– Dotierung mit e- reicherem Material um die
Ladungsträgerkonzentration zu erhöhen
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n-Dotierung
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Warum ist ITO so gut?
• CaF-Struktur mit 2F-Leerstellen: In3+, O2-
• In2O3:Sn• Dotierungsgrad 10%• Bandlücke von 3,7 eV• Ladungsträgerkonzentration: 1021cm-3
• Somit geringer Widerstand: 3,5*10-5 Ωcm• Temperaturbeständigkeit bis 400°C• Hohe Transparenz
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Warum ist ITO so gut?
• CaF-Struktur: In3+, O2-
• In2O3:Sn• Dotierungsgrad 10%• Bandlücke von 3,7 eV• Ladungsträgerkonzentration: 1021 cm-3
• Somit geringer Widerstand: 3,5*10-5 Ωcm• Temperaturbeständigkeit bis 400°C• Hohe Transparenz
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Transparenz
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Sputtern
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LSPS-Low-pressure-spray pyrolysis
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Leitfähigkeit von verschiedenen Stoffen
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Alternativen
• ZnO:Al
• SnO2:F
• CdO:In
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ZnO:Al
• Kristall:– Wurzit-Typ, Zn2+, O2-
• Widerstand: 2,6 ·10-4 Ωcm• Probleme:
– Zn sehr reaktiv– Es werden O2-Fehlstellen eingebaut– Sputter müssen O2 frei sein
• Enges Prozessfenster
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CdO : In
• Rutil-Typ: Sn4+, O2-
• Widerstand zu hoch
• NaCl-Typ: Cd2+, O2-
• Widerstand sehr gut: 10-5 Ωcm • Toxisch
SnO2 : F
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p-dotierte TCOs
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CuAlO2+x
• Hoher Widerstand: 102 Ωcm
• Geringe Transparenz
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Resumé
• Indiumzinnoxid bester Leiter
• Erforschung neuer Transparenter Leitender Oxide ist nötig
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Quellen• T. Minami, New n-Type Transparent Conducting Oxides, MRS Bulletin, 2000• T. Ogi, F. Iskandar, Y. Itoh and K. Okuyama, Journal of Nanoparticle Research, 2006, 8: 343–350• M. D. McCluskey and S. J. Jokela1, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 2009, 106, 071101• A. C. Tolcin, U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2009 • H. Kawazoe, M. Yasukawa, H. Hyodo, M. Kurita, H. Yanagi and H. Hosono, NATURE, 1997, VOL
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
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Gliederung
• Einleitung
• TCOs
• Indium
• Anwendungen
• Fazit
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Probleme bei der Synthese
• Zink sehr reaktiv:-> teilweise oxidation sehr schwierig
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Aufbringen der Substrate
• Sputtern
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LCD-Bildschirme
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Solarzelle
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Dünnschicht-Solarzellen
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Probleme
• Indiumzinoxid bestes Material (ITO)
• Indiumresourcen gehen zur Neige
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Gliederung
• Wofür werden TCOs benötigt?
• Wie kommen diese Eigenschaften zustande?
• Zusammenfassung
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Bandlücke von Stoffen
• Diamant 5,6eV
• In2O3 3,8eV
• ZnO 3,4eV
• Silizium: 1,1eV
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Widerstände in Abhängigkeit von der O2 Konzentration