University of Groningen
Growth and nanostructure of tellurides for optoelectronic, thermoelectric and phase-change
applications
Vermeulen, Paul Alexander
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Vermeulen, P. A. (2019). Growth and nanostructure of tellurides for optoelectronic, thermoelectric and phase-change applications.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Chapter 12. Nederlandse samenvatting
voor niet-natuurkundigen
Alle materie om ons heen is opgebouwd uit de chemische elementen in het periodiek systeem. Het menselijk lichaam bestaat voornamelijk uit koolwaterstoffen (C, H, N, O). Een wolkenkrabber bestaat uit staal (Fe, C), beton (Ca,C,O) en glas (Si, O). Naast de chemische samenstelling is ook de fase van de stof van belang: water (H2O) gedraagt zich heel anders in de vloeibare dan in de
vaste (ijs) vorm. Tot slot kan een (vaste) stof zich in meerdere kristalstructuren organiseren. De meest voorkomende atomaire kristalstructuur van ijzer (Fe) is verbeeld in het atomium in Brussel (Fig. 1a). Er bestaan vele verschillende stabiele symmetrische structuren: de chemische elementen in keukenzout (NaCl) organiseren zich bijvoorbeeld tot een kubus-kristal, kwarts of bergkristal (SiO2)
vormt zeshoeken (Fig. 1b). Voorbeelden uit dit onderzoek zie je op de achterkant van dit boekje (Sb2Te3, WTe2, en Bi2Te3). Deze basisvorm herhaalt zich miljoenen
malen in brok materiaal ter grootte van een suikerklontje. Er bestaan ook amorfe vaste stoffen, die hebben geen regelmatige structuur: voorbeelden zijn rubber (lange ketens van o.a. C en H) en vensterglas (SiO).
Welke kristalstructuur of verbinding een materiaal vormt hang af van de chemische eigenschappen van de elementen, oftewel het aantal en soort beschikbare elektronen. Dit kun je ruwweg terugvinden in het periodiek systeem, maar is soms op geen andere manier te bepalen zijn dan het simpelweg proberen te maken. Daarnaast kunnen materialen stabiel zijn in verschillende structuren: grafiet, diamant, en koolstofvezel zijn allen puur koolstof (C). De verschillende verbindingen hebben heel andere eigenschappen.
Figuur 1. a) Het atomium in Brussel verbeeldt de kubusstructuur van ijzer. De bollen (ijzeratomen) bevinden zich in het echt op een afstand van 0. 000 000 287 millimeter (0.287 nm) b) Kwarts vormt een zeshoekig kristal. Bron: Wikimedia Commons.
Chapter 12. Nederlandse samenvatting voor niet-natuurkundigen
12.1
Eigenschappen op de nanoschaal
De atomaire structuur en binding van materialen vertelt ons veel over de eigenschappen van het materiaal, zoals buigzaamheid, gewicht, elektrische geleiding, en reflectiviteit. Naarmate de technieken om materialen en structuren te maken en op kleine schaal te analyseren beter worden, ontdekken we dat kleine hoeveelheden materiaal zich anders kunnen gedragen dan grote hoeveelheden. Dit heeft meerdere oorzaken, maar kan samengevat worden tot het volgende. Normaal gesproken nemen we aan dat het aantal atomen aan de rand van een materiaal verwaarloosbaar klein is ten opzichte van het totaal. We voorspellen zo de eigenschappen gebaseerd op een regelmatig rooster van atomen in een oneindig uitstrekkend materiaal. In een extreem dunne laag van enkele nanometers (een miljardste van een meter) wordt het aantal structuur-eenheden, zoals de ene eenheid ijzer die het atomium verbeeldt, sterk beperkt en zelfs telbaar. De oneindigheids-aanname geldt dus niet meer: hierdoor gaan deze materialen zich anders gedragen. Deze gedragsverandering kan soms op extreem nuttige gevolgen hebben: kleine nanodeeltjes gaan licht op bepaalde golflengtes (kleur) absorberen of uitzenden, dunne lagen kunnen zonder weerstand elektrische stroom geleiden, en andere kristalstructuren worden stabiel. Soms is ook het kleiner en dunner maken, niet het veranderen van eigenschappen, een doel op zich. Als we bepaalde technologie in telefoon- of computerchips willen toepassen, moet het op extreem kleine schaal te maken zijn: het kleinste chip-element, de transistor, is slechts 7 nm groot: 10.000 keer dunner dan een haar.
12.2
Toepassingen van tellurides
We onderzochten de structuur van verschillende verbindingen met het element telluur (Te). Phase-Change materialen zoals Ge2Sb2Te5 worden toegepast in het
maken van CD, DVD en Blu-ray disks en meer actueel ook in Random-Acces
Memory (RAM). In deze toepassingen wordt de structuur van het materiaal
geschakeld tussen de amorfe (wanordelijke) en kristallijne (geordende) toestand. Deze schakeling verandert de eigenschappen: de materialen gaan beter stroom geleiden en worden optisch reflectiever. Door aan de toestanden een binaire ‘1’ of ‘0’ toe te kennen, kan een digitaal signaal worden opgeslagen in de stof, en ook weer uitgelezen door de eigenschappen te meten.
Ook voor de opwekking van energie worden tellurides gebruikt: Bi2Te3 wordt
gebruikt om restwarmte om te zetten in een elektrische stroom door middel van het Seebeck-effect (thermo-elektrisch effect). Door het materiaal aan één kant te verwarmen, gaat een elektrische stroom lopen naar de koude kant. Het effect werkt ook andersom: de warme kant kan gekoeld worden door een elektrische stroom te laten lopen. De technologie is vooral handig op plekken waar onderhoud en het gebruik van bewegende onderdelen niet mogelijk is, zoals in
ruimtevaartuigen, en op plekken waar slechts ruimte is voor een coating, zoals op computerchips en verbrandingsmotoren.
Ook voor het gebruik van lichtsensoren, detectoren, en voor gebruik in displays (zoals voor een tv of telefoon) kunnen deze tellurides gebruikt worden (optoelektronica). Door een of meerdere dunne lagen aan te brengen, kan de kleurgevoeligheid aangepast worden. Bovendien kan, door de lagen te laten kristalliseren, een verandering van de schermreflectiviteit worden bewerkstelligd.
12.3
Kunstmatige nanostructuren (hfst 3-7)
Veel van deze telluur-gebaseerde materialen (en hun atomaire structuur) zijn al bekend. Onze uitdaging bestond uit het gecontroleerd fabriceren van dunne lagen en multilaag-structuren (zoals die op de achterkant van dit boekje) met behulp van
Pulsed Laser Deposition (PLD). In deze techniek wordt met een laserpuls een
hoeveelheid materiaal losgeschoten van een target, en slaat het vervolgens neer op een oppervlak waar we de dunne laag aan willen laten groeien. Met vele pulsen wordt een laagdikte van één atomaire structuureenheid bereikt. Door het aanpassen van o.a. de gasdruk in de depositie-kamer, de temperatuur, en de laser-energie, kan de structuur van de laag veranderd worden (hoofdstuk 3).
In hoofdstuk 4 beschrijven we hoe we dit proces optimaliseren voor WTe2 , een
notoir lastig te fabriceren materiaal dat nog nooit in kristallijne toestand gegroeid was met PLD. We zijn er in geslaagd het materiaal op lage temperatuur met een kristallijne structuur en in de juiste oriëntatie te maken. Deze variabelen zijn belangrijk voor het gebruik van dit materiaal in verder onderzoek naar toepassingen in bijvoorbeeld transistors en zonnecellen.
In hoofdstuk 5 laten we de groei van dunne kristallijne lagen GeTe, Sb2Te3, en
Bi2Te3 zien. De oppervlakken van deze materialen hebben dezelfde zeshoekige
kristalstructuur, met verschillende afstanden tussen de atomen. We ontdekten dat hoewel de materialen een zeer zwakke binding hebben tussen de atomaire structuureenheden, deze binding sterk genoeg was dat opeenvolgende lagen elkaar samenknepen of uitrekten tot ze dezelfde atomaire afstanden hadden. Naarmate de lagen dikker gegroeid werden, werd deze vervorming minder. Deze uitrekkingen (strain), kunnen een sterk effect hebben op bijvoorbeeld de elektrische geleiding: dit effect wordt bijvoorbeeld al gebruikt om silicium computerchips efficiënter te maken.
In hoofdstuk 6 analyseren we de optische eigenschappen van multilagen van tellurides. Door het stapelen van meerdere lagen, in combinatie met een reflecterende onderlaag van goud, kan een breed spectrum aan gereflecteerde kleuren geproduceerd worden. Bovendien kan dit vrij eenvoudig voorspeld worden m.b.v. de zogenoemde Fresnel-vergelijkingen. Door de verschillende lagen van de multilaag een voor een te kristalliseren, kan het reflectie-spectrum (de kleur) in
Chapter 12. Nederlandse samenvatting voor niet-natuurkundigen
meerdere discrete stappen worden geschakeld. Dit heeft allerlei toepassingen voor beeldschermen en lichtsensoren.
12.4
Natuurlijke nanostructuren (hfst. 7-9)
In de laatste hoofdstukken behandelen we natuurlijke nanostructuren in bulk-materialen, dus niet gegroeid als dunne laag. In hoofdstuk 7 onderzochten we de domeinstructuur van GeTe met behulp van optische- en electronenmicroscopie. Door een vervorming van de kristalstructuur, vormt dit materiaal altijd een micro-domeinstructuur, waarin de vervorming van het kristal door een combinatie van spiegelsymmetrisch georiënteerde domeinen teniet wordt gedaan. Deze domeinstructuur is ook in andere materialen met dezelfde distortie zoals LaAlO3
terug te vinden. Dit begrip van de microstructuur kan ons helpen met het verklaren van de goede thermo-elektrische eigenschappen van GeTe en legeringen (mengsels) die hierop gebaseerd zijn.
Voor de verbinding SeTeAs (hoofdstuk 8,9), onderzochten we het kristallisatiegedrag wanneer het materiaal met extreme snelheden tot 10 000 °C per seconde werd verhit en afgekoeld. We vonden dat de toevoeging van As kristallisatie sterk remde, terwijl extra Te kristallisatie bevordert. Ook onderzochten we de microstructuur in het materiaal die dan gevormd werd met behulp van electronenmicroscopie. Door deze combinatie ontdekten we dat SeTeAs in 2 fasen, een kristallijn en een amorf uiteen scheidt als je het in de amorfe fase verhit.
