Theoretische Modellierung von experimentell ermittelten Infrarot-Spektren

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1 Sitzung des AK-Thermophysik am 24./25. März 211 Theoretische Modellierung von experimentell ermittelten Infrarot-Spektren M. Manara, M. Arduini-Schuster, N. Wolf, M.H. Keller, M. Rydzek Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern)

2 Einleitung und Motivation Spektroskopische Charakterisierung von Materialien und Oberflächen Infrarot-Spektren Interpretation von IR-Spektren zur Erfassung von Materialzusammensetzung, Analyse von chemischen Prozessen, etc. Bestimmung infrarot-optischer und elektronischer Eigenschaften von Dielektrika (z.b. Keramiken), Halbleitern und Metallen sowie Schichtsystemen. Dielektrische Eigenschaften eines Festkörpers Lorentz-Oszillator-Modell Korrelation dielektrische Eigenschaften - Brechungsindex Maxwell-Relation Zusammenhang Brechungsindex - Reflexion/Transmission Fresnel-Formeln Theoretische Modellierung von IR-Spektren zur Ermittlung wichtiger Kenngrößen

3 Spektraler und temperaturabhängiger Emissionsgrad Emissionsgrad ε λ λ Chr T = 298 K T = 74 K T = 156 K λ L Al 2 O 3 :ZrO 2 (7:3) Zunahme der Temperatur: Desorption von Wasser bei höheren Temperaturen Verbreiterung des des zentralen Emissionspeaks Charakteristische Wellenlängen: λ Chr : Christiansen- Wellenlänge λ L : Lage der Eigenfrequenz der longitudinalen optischen Schwingung

4 Spektraler Emissionsgrad von SiC Emissionsgrad ε λ λ Chr λ L λ T T = 298 K SiC Charakteristische Wellenlängen: λ Chr : Christiansen- Wellenlänge λ L : Lage der der longitudinalen optischen Eigenschwingung λ T : Lage der der transversalen optischen Eigenschwingung

5 Spektraler Brechungsindex von SiC 2 Reflexionsgrad = ( n 1) ( n + 1) k + k 2 2 λ Chr λ L λ T = 1 Emissionsgrad Charakteristische Wellenlängen: Brechungsindex n k SiC λ Chr : Christiansen- Wellenlänge λ L : Lage der der longitudinalen optischen Eigenschwingung λ T : Lage der der transversalen optischen Eigenschwingung

6 Typischer Verlauf für keramische Materialien Brechungsindex 1 n k λ Chr λ T λ L Dielektrische Funktion ε ε ' ε '' λ Chr λ T λ L ε static 1 Brechungsindex: infrarot-optische Eigenschaften Dielektrische Funktion: elektronische Eigenschaften Reflexionsgrad verknüpft über Maxwell-Relation λ Chr λ T λ L

7 Spektraler Transmissionsgrad von Aluminiumoxid.5 Transmissionsgrad T = 3 K T = 15 K Al 2 O 3 mit einer Dicke von 1.6 mm und einer Porosität von 9% Transmissionsgrad im semitransparenten Bereich nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Reduktion der Absorption von OH-Gruppen

8 Infrarot-Spektren von dotierten Halbleitern 1 λ Plasma Reflexionsgrad Plasmawellenlänge λ Plasma : hohe Reflexion für λ > λ Plasma hohe Transmission für λ < λ Plasma Dielektrische Funktion ε ' ε '' Brechungsindex n k λ Plasma λ Plasma

9 Zinn-dotierte Indiumoxid-Schicht (ITO) auf Glas Transmissionsgrad, Reflexionsgrad Reflexionsgrad Transmissionsgrad Reflexionsgrad el. Leitfähigkeit λ Plasma 1 N L

10 Fit des Reflexionsgrades der ITO-Schicht 1. Ladungsträgerdichte N L = cm -3 Reflexionsgrad gemessener Reflexionsgrad Fit des Reflexionsgrades Beweglichkeit der Ladungsträger µ = 47 cm 2 /(V s) elektrische Leitfähigkeit σ = 75 S/cm.2 Schichtdicke d =.3 µm Schichtwiderstand R = 4.4 Ω/sq

11 Zusammenfassung Experimentelle Ermittlung von IR-Spektren Theoretische Modellierung der IR-Spektren Bestimmung von dielektrischer Funktion und Brechungsindex Erfassung charakteristischer Wellenlängen (z.b. Christiansenwellenlänge), elektronischer Kenngrößen (z.b. Ladungsträgerdichte), Schichtparameter (z.b. Dicke der Schicht), etc. Weitere Möglichkeiten, wie Analyse von Materialzusammensetzung, etc.

12 Sitzung des AK-Thermophysik am 24./25. März 211

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