Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Werkstofftechnologische Herausforderungen, die wir mit fundiertem Mechanismenverständnis, Multiskalen-Simulation und atomistischen Berechnungen angehen:
- Die Kombination aus Transparenz und elektrischer Leitfähigkeit bei der Entwicklung von Transparent Conductive Oxides (TCOs), die z. B. in Displays, Solarzellen und LEDs verwendet werden, erfordert, ein Gleichgewicht zwischen genügend freien Ladungsträgern (für Leitfähigkeit) und möglichst wenig Absorption im sichtbaren Bereich. Die Leitfähigkeit erfordert freie Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), die jedoch oft Licht absorbieren – vor allem im sichtbaren Bereich. Transparenz erfordert eine große Bandlücke (>3 eV), wodurch aber die Zahl an freien Ladungsträgern gering bleibt.
- Um die oft intrinsisch schlechte Leitfähigkeit von Oxiden wie ZnO oder SnO₂ zu verbessern, werden zusätzliche Ladungsträger durch gezielte Dotierung (z. B. mit Al, In, Ga) eingebracht. Dabei muss aber der begrenzten Löslichkeit von Dotierelementen im Wirtsgitter, der Bildung von Sekundärphasen oder Gitterverzerrungen Rechnung getragen werden.
- Die Leitfähigkeit hängt stark von der Kristallstruktur ab (z. B. Koordinationsumgebung der Ionen, Überlappung der Orbitale). Oxide mit s-orbital-basierten Leitungsbändern (z. B. Sn⁴⁺, In³⁺) bieten bessere Leitfähigkeit – aber nicht alle Oxide haben diese Struktur und müssen daher bewertet werden.
- Bei der Herstellung von Dünnfilmen durch Verfahren wie Sputtern, CVD, ALD oder Sol-Gel müssen Schichtdicke, Homogenität, Defektdichte beherrscht und eingestellt werden, denn sie beeinflussen Kristallinität, Defekte, Dichte und damit die optisch-elektrischen Eigenschaften.