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Crystal growth of functional materials by using CSVS and MOCVD:The AIIMnBVI and II-oxides case

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22 - Física
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Crystal growth of functional materials by using CSVS and MOCVD:The AIIMnBVI and II-oxides case

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dc.contributor.advisor	Muñoz Sanjosé, Vicente
dc.contributor.advisor	Kurbatov, Denys
dc.contributor.author	Klymov, Oleksii
dc.contributor.other	Departament de Física Aplicada i Electromagnetisme	es_ES
dc.date.accessioned	2021-11-02T09:16:32Z
dc.date.available	2021-11-03T05:45:07Z
dc.date.issued	2021	es_ES
dc.date.submitted	22-11-2021	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/80622
dc.description.abstract	En esta tesis se presenta un estudio en profundidad del crecimiento cristalino y la caracterización de algunos materiales funcionales de la familia II-VI. Las propiedades estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas estudiadas se han correlacionado con la metodología y condiciones de crecimiento cristalino utilizadas. Entre la variedad de materiales II-VI, se han elegido 2 familias de semiconductores debido a sus propiedades singulares. El primero incluye los óxidos del grupo II, con elementos como el Zinc y el Cadmio, con una alta transparencia en el rango óptico visible. Estos compuestos se pueden usar en diversas aplicaciones en optoelectrónica, incluyendo su uso como óxidos conductores transparentes (TCO). El otro conjunto de materiales estudiados son algunos semiconductores magnéticos diluidos (DMS) basados en los compuestos ZnS y ZnTe con Manganeso que además de las propiedades semiconductoras habituales, tienen propiedades magnéticas interesantes. Con el fin de crecer los compuestos binarios y ternarios estudiados en esta tesis, se han utilizado dos métodos de crecimiento: un sistema de deposición CVD basado en la descomposición de compuestos metal-orgánicos (MOCVD), técnica con control multiparamétrico y un método más simple como es la sublimación en vacío a corta distancia (CSVS). De acuerdo con los objetivos de la tesis, la caracterización de las muestras se ha realizado utilizando las siguientes técnicas: microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM), análisis de difracción de rayos-X (XRD), espectroscopía dispersiva de rayos-X (EDX), mediciones de emisión de rayos-X inducida por partículas (PIXE) y medidas de reflectividad y transmision óptica. Así pues, se crecieron capas delgadas de ZnO mediante el método MOCVD sobre diferentes planos de corte del zafiro. La banda prohibida directa del ZnO (~ 3.4 eV) proporciona un buen grado de transparencia óptica en la region visible del espectro electromagnético, y sus propiedades piezoeléctricas son ideales para la aplicación en filtros de ondas acústicas de superficie (SAW). El uso de este material en campos como la fotónica y la microelectrónica hace que la obtención de capas de espesor nanométrico, manteniendo una buena calidad morfológica y estructural, sea un desafío fundamental. En esta tesis se ha realizado un estudio sistemático de la disminución del espesor y rugosidad de las capas de ZnO en función de las condiciones de crecimiento (flujo del precursor, temperatura de crecimiento y tiempo de crecimiento). De manera complementaria se ha realizado un tratamiento químico del sustrato con el objetivo de aumentar los puntos de nucleación. Este estudio sistemático ha resultado en el logro y caracterización de capas de alta calidad con espesores de aproximadamente 34 nm y una rugosidad del orden de 2 nm. Teniendo en cuenta la posibilidad de cambiar las propiedades de los compuestos binarios (como la densidad de portadores o la energía del bandgap) mediante la aleación del material con otro elemento, se llevó a cabo el crecimiento de la aleación CdZnO. Una de las principales dificultades para obtener este compuesto ternario con propiedades deseables y buena calidad cristalina es la debida a la diferencia entre las estructuras cristalinas del ZnO (wurtzita) y el CdO (cúbico). La mayor parte del trabajo que se puede encontrar en la literatura está dedicado a compuestos ternarios con un alto contenido de zinc o cadmio, mientras que el estudio de la transición entre las fases cúbica y wurtzita ha recibido menos atención. En esta tesis hemos profundizado en el crecimiento de la región rica en cadmio de la aleación sobre R-zafiro, mostrando el límite de solubilidad del Zn, en las condiciones experimentales analizadas, y cómo la transición de la fase cúbica a una en la que coexisten ambas fases afecta a las propiedades estructurales de este compuesto ternario. Además, se ha analizado la influencia del gas portador sobre las características estructurales y ópticas de las capas delgadas obtenidas. En el mismo marco de estudio de la familia II-VI, el CdTe ocupa un lugar de privilegio. Este material se utiliza a menudo como capa absorbente en heteroestructuras de CdTe/CdS. Por otro lado, las heteroestructuras con TCO, en particular la heterounión p-n CdTe/CdO, han sido menos estudiadas. La complejidad en la obtención de esta heteroestructura se debe, entre otros factores, al desajuste de red entre el CdO y el CdTe. Los parámetros de crecimiento se eligieron de tal manera que las tensiones entre las capas de la heteroestructura de CdTe/CdO/R-zafiro crecida por el método MOCVD se minimizaran. El estudio de la diferencia de potencial de contacto (CPD) y el cambio en el fotovoltaje superficial (SPV) en función de la potencia aplicada del láser incidente, se han analizado en correlación a la temperatura de crecimiento. Por otro lado, los DMS combinan elementos de la física de los semiconductores y el magnetismo, lo que constituye una oportunidad única para la investigación y la tecnología. A diferencia de las aleaciones de semiconductores clásicas, la distribución aleatoria de iones magnéticos conduce a la aparición y desarrollo de fases magnéticas individuales. La inclusión de átomos de Mn en la red II-VI es particularmente interesante ya que conduce a fenómenos como la magnetorresistencia negativa, la rotación de Faraday gigante y el comportamiento del vidrio de spin. Así, hemos estudiado el crecimiento y caracterización de la aleación de ZnS y ZnTe con Mn, debido a la banda prohibida ancha que presentan y a las características ópticas derivadas que pueden presentar estas aleaciones, que las hace atractivas para aplicaciones fotovoltaicas. Así, hemos obtenido capas delgadas de ZnMnTe y ZnMnS sobre vidrio mediante la técnica CSVS. Nuestro estudio mostró el límite de solubilidad del Mn en nuestras condiciones experimentales, y cómo la incorporación de manganeso afecta las características estructurales, subestructurales y ópticas de los correspondientes compuestos ternarios.	es_ES
dc.description.abstract	This thesis presents an in-depth study of the crystal growth and characterization of some functional materials of the II-VI family. The studied structural, morphological, optical and electrical properties have been correlated with the crystal growth methodology and growth conditions used. Among the variety of II-VI materials, 2 groups of semiconductors have been chosen due to their unique properties. The first includes oxides of II-group, with elements such as Zinc and Cadmium, with high transparency in the visible optical range. These compounds can have applications in optoelectronics and can be used as transparent conductive oxides (TCOs). The other group of studied materials is some diluted magnetic semiconductors (DMS) based on Manganese and the II-VI semiconductors ZnS and ZnTe. In addition to the usual semiconductor properties, the Mn alloyed materials can have interesting magnetic properties. In order to grow the binary and ternary compounds studied in this thesis, two growth methods have been used, the more accurate, multiparameter-controlled Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) method and the simpler Close Space Vacuum Sublimation (CSVS). The characterization of the samples has been done using the following techniques: atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction analysis (XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), particle-induced X-ray emission (PIXE) and optical reflectance and transmission measurements. Thus, ZnO thin films were grown using the MOCVD method on the crystal planes C-, A-, M- and R- of sapphire substrates. The ZnO direct bandgap of ~ 3.4 eV provides a good degree of optical transparency in the visible region of the electromagnetic spectrum, and its piezoelectric properties are ideal for application on surface acoustic waves (SAWs) filters. Moreover, ZnO has shown its potentiality in fields such as photonics and microelectronics. In this regard, obtaining layers of nanometric thickness, while maintaining a good morphological and structural quality, is both a requirement and a challenge. In this thesis, a systematic study of the thickness and roughness decrease of the ZnO layers has been undertaken as a function of the growth conditions (precursor flux, growth temperature and time). In a complementary manner, a chemical treatment of the substrate has been carried out, in order to increase the nucleation points. This systematical study has resulted in the attainment and characterization of high-quality layers with thicknesses of about 34 nm and roughness of about 2 nm. Taking into account the possibility of changing the properties of binary compounds (such as the carrier density or bandgap energy) by alloying the material with another element, the growth of the CdZnO alloy was carried out. One of the main difficulties in obtaining this ternary compound with desirable properties and good crystal quality is due to the difference in crystal structures between ZnO (wurtzite) and CdO (cubic). Most of the works that can be found in the literature are devoted to the ternary with high content of zinc or cadmium, while the study of the transition between the cubic and wurtzite phases has received less attention. In this thesis, we have delved into the growth of the cadmium rich region of the alloy on R-sapphire, and we have found the solubility limit of Zn under our experimental conditions, and how the transition from the cubic phase to a mixed one affects the structural properties of this ternary compound. Additionally, the influence of the carrier gas on some structural and optical features of the CdZnO thin layers has been analyzed. In the same frame of studying the II-VI family, CdTe stands out as one of the most significant of this family. CdTe is often used as an absorber layer in CdTe/CdS heterostructures. Nevertheless, heterostructures with TCO, in particular the p-n-heterojunction CdTe/CdO, have been less studied. The complexity in obtaining this structure is due to, among other factors, the lattice mismatch between CdO and CdTe. In this thesis, the growth parameters were chosen in such a way that the stresses between the layers of the CdTe/CdO/R-sapphire heterostructure grown by the MOCVD method are minimized. The study of the Contact potential difference (CPD) and the change in the Surface photo voltage (SPV) as a function of the applied power of the incident laser have been analyzed in correlation with the growth temperature. On the other hand, DMS, as said before, combine elements of the physics of semiconductors and magnetism, which is a unique opportunity for research and technology. Unlike in classical semiconductor alloys, the random distribution of magnetic ions leads to the appearance and development of individual magnetic phases. Among alloying elements, the inclusion of Mn atoms in the II–VI lattice is particularly interesting since it leads to phenomena such as negative magnetoresistance, giant Faraday rotation and spin glass behavior. We have studied the growth and characterization of the ZnS and ZnTe alloying with Mn, due to the wide bandgap and optical features that these alloys can present, which make them attractive for photovoltaic applications. Thus, ZnMnTe and ZnMnS thin films were obtained on glass substrates by the CSVS technique. The study has shown the Mn solubility limit under our experimental conditions, and how the incorporation of manganese affects the structural, substructural, and optical characteristics of the ternary compounds.	en_US
dc.format.extent	255 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	crystal growth	es_ES
dc.subject	crecimiento cristalino	es_ES
dc.subject	ternary compound	es_ES
dc.subject	compuesto ternario	es_ES
dc.subject	CdTe/CdO heterostructure	es_ES
dc.subject	Heteroestructura de CdTe/CdO	es_ES
dc.title	Crystal growth of functional materials by using CSVS and MOCVD:The AIIMnBVI and II-oxides case	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA::Física del estado sólido ::Materiales compuestos	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA::Física del estado sólido ::Semiconductores	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA::Física del estado sólido ::Estructura cristalina	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES