Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3588
Main Title: Beiträge zur Synthese von Sn/Zn-Alkoxiden als Single Source Precursoren zur Herstellung von dünnen transparenten und halbleitenden Oxidschichten
Translated Title: Contribution to the Synthesis of Sn/Zn-Alkoxides as Single Source Precursors for the Preparation of Thin Transparent and Semiconductive Oxides
Author(s): Tsaroucha, Marianna
Advisor(s): Driess, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die weltweite Jahresproduktion von ZnO beträgt tausende Tonnen in den zahlreichen Anwendungen (Farben, Kosmetika, Sonnenschutzmittel, Katalyse, Elektronik- und Halbleiterbereich). Es wird in großem Maßstab durch Pyrolyse aus Zinkprecursoren gewonnen. Dabei entstehen unerwünschte Verunreinigungen im Material. Hochreines ZnO liefern unterschiedliche physikalische oder chemische Abscheideverfahren. Diese sind allerdings jedoch teuer und aufwendig. Auf der Suche nach besseren Methoden zur kontrollierten Herstellung von ZnO etablierte sich das Konzept der Single Source Precursoren (SSP). Ein SSP ist eine molekulare Einkomponentenvorstufe für Metalloxid Nanopartikel. Im Gegensatz zu den traditionellen Herstellungsmethoden ermöglicht das SSP-Konzept eine präzise Kontrolle der Elementbestandteile in ihren molekularen Verhältnissen und erlaubt so einen leichten Zugang zu Partikeln in Nanometergröße durch geeignete Abgangsgruppen im Vorläufermolekül. Weitere Vorteile der SSPs sind ihre niedrigen Umwandlungstemperaturen und eine exakte Kontrolle der Materialeigenschaften, wie Morphologie, Oberfläche, Porosität usw. Die Dissertation befasst sich mit der Präparation von Sn-dotierten ZnO-Materialien für die Anwendung als Dünnschichttransistroren in der Halbleitertechnik. Zunächst wurden die bekannten heterobimetallischen Sn/Zn- Single Source Precursoren 4a und 4b unter verschiedenen thermischen Zersetzungsbedingungen zu entsprechenden Sn-dotierten ZnO-basierten Materialien transformiert. Es wurde ermittelt inwiefern deren Mikrostruktur durch die Zersetzungsbedingungen und den eingesetzten Precursor beeinflusst werden kann. Des Weiteren wurde der Einfluss verschiedener organischer Reste im metallorganischen Precursor (6a, 6b, 6c, 7) auf das Endmaterial nach Kalzinierung untersucht. Des Weiteren wurde das SSP-Konzept einem Zweikomponenten-Prozess gegenüber gestellt. Bei dieser Degradationsmethode ging man von kostengünstigen Sn- und Zn-Acetaten aus. Diese wurden in Anwesenheit von Tetramethyammoniumhydroxid als Base hydrolysiert. Die entstandenen Zn/Sn- Oxid-Nanopartikel (in kolloidaler Lösung 8, 9a und 9b) wurden schließlich isoliert als Pulver, wie auch aufgetragen als dünne Filme charakterisiert und mit den durch das SSP-Konzept hergestellten Materialien und dünnen Schichten verglichen. Precursor 10, [HOZntBu]6 ist ein prädestinierter SSP zur Sol-Gel Synthese. Durch seine stabilisierenden OH-Gruppen kann er kontrolliert unter milden Bedingungen zu ZnO transformiert werden. Weiterhin konnte ausgehend vom SSP 10 ein neuartiger Sn/Zn-Alkoxid Precursor synthetisiert werden (13), der sowohl heterobimetallisch ist, als auch durch milde Degradation zu dem entsprechenden oxidischen Nanomaterial degradiert werden kann, wird vorgestellt. Alle hergestellten SSPs und Zweikomponentensysteme wurden mittels Spin-Coating und anschließender thermischer Behandlung bei möglichst tiefen Temperaturen, zur Herstellung von dünnen, amorphen dotierten Filmen verwendet wurden und auf ihre Eignung als transparente Dünnschichttransistoren getestet.
The reliable synthesis of well defined nanomaterials by controlling defects and morphology of the particles, as well as providing a high dispersion of the doping elements in the matrix without other impurities, is one of the primary aims in material chemistry. Zinc oxide (ZnO) can be regarded as a key material in engineering, furthermore nanostructured ZnO is a important material for heterogeneous catalysis and semiconductive devices. ZnO is a direct bandgap semiconductor (Eg = 3.30 eV at room temperature) with a free exciton binding energy of 60 meV. However, in order to prepare nanocrystalline ZnO of high purity while maintaining control over the composition, morphology (particle size and shape), porosity etc., a suitable synthetic method is required. Traditionally ZnO nano-materials have been synthesized by various techniques, such as flame pyrolysis of ZnO precursors and the evaporation and oxidation of elemental zinc. However, these methods give rise to an inhomogeneous particle shape distribution. To overcome this problem we employ the Single Source Precursor (SSP) concept: In the first step a suitable organometallic precursor is synthesized, which is in a second step, thermally decomposed into ZnO. This precursor already contains all the information necessary for the inorganic functional material. Currently we are focusing on the synthesis of defined heterobimetallic organozinc alkoxides as potential molecular SSP for the preparation of heterometallic (doped) ZnO materials. Interestingly doping ZnO with certain elements presents an effective method to modify its electrical, optical and magnetic properties. In particular tin doped zinc oxide (Sn@ZnO) are promising semiconductive materials. We present a novel technique for the successful synthesis of Sn/Zn-precusrsors with different sterically demanding organic groups (4-7). Their thermal degradation leads to, depending on the variation of the decomposition parameters and the organic groups, different ZnO-based materials. In here, I report how one SSP can easily lead, by controlled decomposition, to different final materials with variable properties and applications. Furthermore, a two-component-method, employing Sn- and Zn-acetate with tetramethylammonium hydroxide as a base was allowed to hydrolize. The different Zn/Sn- oxide nanoparticles (8, 9a and 9b) were isolated and tested as transparent, semiconductive thin films. While precursor [HOZntBu]6 10 represents a predestinated SSP for the Sol-Gel synthesis of pure ZnO because of the stabilizing OH-groups. Additionally, the novel Sn/Zn-alkoxide SSP 13 was isolated from precursor 13. The promising heterobimetallic precursor 13 can easily be transformed to oxide materials by thermal degradation and hydrolysis in different solvents. The as-prepared thin films from 13 are of great homogeneity and demonstrate the best semiconductive performance as thin films presented in this report.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-39660
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3885
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3588
Exam Date: 15-Mar-2013
Issue Date: 8-May-2013
Date Available: 8-May-2013
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Heterobimetallische Sn/Zn-Alkoxide
Single Source Precursoren
Sn-dotiertes ZnO
Sol-Gel-Prozess
Transpartent Conductive Oxide
Heterobimetallic Sn/Zn-Alkoxides
Single Source Precursores
Sn-doped ZnO
Sol-Gel-Method
Transpartent Coonductive Oxides
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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