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Main Title: Chemical inhomogeneity in In$_x$Ga$_{1-x}$N and ZnO a HRTEM Study on Atomic Scale Clustering
Translated Title: Chemische Inhomogenitäten in In$_x$Ga$_{1-x}$N and ZnO eine HRTEM Untersuchung von atomarer Clusterbildung
Author(s): Bartel, Til Pierre
Advisor(s): Hoffmann, Axel
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Nanostructuration as well as the nucleation and growth of nanoparticles pervades the development of modern materials and devices. Quantitative high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) is currently being developed for a structural and chemical analysis at an atomic scale. It is used in this thesis to study the chemical inhomogeneity and clustering in In$_x$Ga$_{1-x}$N, InN and ZnO. A methodology for reliable quantitative HRTEM is first defined: it necessitates a damage free sample, the avoidance of electron beam damage and the control of microscope instabilities. With these conditions satisfied, the reliability of quantitative HRTEM is demonstrated by an accurate measurement of lattice relaxation in a thin TEM sample. Clustering in an alloy can then be distinguished from a random distribution of atoms. In In$_x$Ga$_{1-x}$N for instance, clustering is detected for concentrations $x>0.1$. The sensitivity is insufficient to determine whether clustering is present for lower concentrations. HRTEM allows to identify the amplitude and the spatial distribution of the decomposition which is attributed to a spinodal decomposition. In InN, nanometer scale metallic indium inclusions are detected. With decreasing size of the metallic clusters, the photoluminescence of the sample shifts towards the infrared. This indicates that the inclusions may be responsible for the infrared activity of InN. Finally, ZnO grown homoepitaxially on zinc-face and oxygen-face substrates is studied. The O-face epilayer is strained whereas the Zn-face epilayer is almost strain free and has a higher crystalline quality. Quantitative analysis of exit wave phases is in good agreement with simulations, but the signal to noise ratio needs to be improved for the detection of single point defects.
Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die chemische Inhomogenität und Clusterbildung in den Halbleitermaterialien In$_x$Ga$_{1-x}$N, InN und ZnO. Da diese Prozesse auf atomaren Längenskalen auftreten, wurde quantitative hochauflösende transmissions Elektronenmikroscopie (engl. HRTEM) angewandt. Eine Methodik für quantitative HRTEM wurde zuerst definiert. Hierfür wurde gezeigt, dass Probenpräparation mit hochenergetischen Ionen die primäre Quelle für Schaden in In$_x$Ga$_{1-x}$N ist. Nassätzen produziert atomar flache Oberflächen und es wird demonstriert, dass In$_x$Ga$_{1-x}$N Proben bis zu zwei Minuten lang unter moderaten Strahlungsintensitäten (<30 A/cm$^2$) schadenfrei bleiben können. Abbildungsartefakte können durch das Benutzen von Mikroskopen mit hoher Beschleunigungsspannungen ($\geq$ 800 kV), einer Mittelung über Serien von Bildern oder durch Austrittswellenrekonstruktion vermieden werden. Es konnten nun Relaxationsmechanismen in dünnen TEM Proben analysiert werden und Clusterbildung von einer zufälligen Verteilung der Atome unterschieden wurden. Auf diese Weise wurde in dieser Studie Clusterbildung in In$_x$Ga$_{1-x}$N Quanten-Schächten mit x>0.1 nachgewiesen. Die indiumreichen Cluster zeigten ausserdem eine örtliche Verteilung wie sie für spinodale Entmischung typisch ist. Außerdem werden HRTEM Untersuchungen an InN vorgestellt. Es wurden nanoscopische Cluster gefunden, die aus metallischem Indium bestehen könnten. Die Grösse der Cluster korreliert mit einer Rotverschiebung der Photolumineszenz. Clusterbildung spielt also eine entscheidende Rolle in den Lumineszenzeigenschaften von InN. Letztlich wurden homoepitaktische ZnO Schichten auf zink- und sauerstoffpolaren Substraten auf Verspannungen und Defekte hin untersucht. Bei der O-polaren Schicht wurde eine kompressive Verspannung festgestellt. Photolumineszenzspektroskopie bestätigte, dass diese Schicht viele Defekte besitzt, die als Rekombinationszentren wirken. Zinkpolare ZnO Homoepitaxie scheint demnach Epischichten höherer Qualität zu produzieren.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18101
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2104
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1807
Exam Date: 11-Mar-2008
Issue Date: 17-Mar-2008
Date Available: 17-Mar-2008
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Clusterbildung
Entmischung
InGaN
TEM
ZnO
Clustering
HRTEM
InGaN
Inhomogeneity
ZnO
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