Understanding and optimizing the electrical transport in silver thin films for the use as heat insulation glass coatings

• Verständnis und Optimierung des elektrischen Transports in Silber-Dünnfilmen für die Verwendung als Wärmeschutzbeschichtungen

Sittner, Ernst-Roland; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Mergel, Dieter (Thesis advisor)

Aachen (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Großflächige Glasfassaden sind ein zentrales Element der modernen Architektur. Bekannte Gebäude wie die Elbphilharmonie in Hamburg erhalten ihre charakteristische Erscheinung durch die Verwendung von großen, speziell geformten Glasflächen. Wir leben in einer Zeit, in der der Klimawandel einer der globalen Herausforderungen ist, so dass die Einsparung von Energie und die Verminderung des CO2-Ausstoßes zentrale Themen sind. Glas als Baumaterial ist stark absorbierend für infrarote (IR) Strahlung, was zu einem ungewünschten Wärmetransport durch Fenster führt. Dies erzeugt einen Wärmeverlust bzw. macht zusätzliche Kühlaufwände notwendig. Moderne Mehrfachverglasungen verhindern diesen unerwünschten Wärmetransfer durch die Verwendung von metallischen Beschichtungen, welche als IR-Reflektoren fungieren und somit Fenster energieeffizient machen. Silber-Dünnfilme werden üblicherweise für die Beschichtung verwendet. Die Fähigkeit IR-Strahlung zu reflektieren hängt direkt mit dem elektrischen Schichtwiderstand des metallischen Dünnfilms zusammen, wobei geringe Widerstände hohe Reflektivitäten erlauben. Jedoch nehmen sowohl der Schichtwiderstand als auch der spezifische Widerstand für metallische Dünnfilme mit abnehmender Schichtdicke zu. In dieser Arbeit wird der Widerstand von gesputterten Silber-Dünnfilmen untersucht. Ein besonderer Fokus wird dabei auf die strukturellen Eigenschaften und die Verwendung von Wachstumstemplaten gelegt. Ein großer Teil der Arbeit befasst sich mit der Optimierung des elektrischen Silber-Widerstandes durch die Verwendung von geeigneten Saatschichten. Auf Einkristallen konnten Silber-Dünnfilme mit biaxialer Textur und geringen elektrischen Widerständen abgeschieden werden. Biaxiale Textur bedeutet, dass die Dünnfilme eine nicht zufällige Orientierung der Kristallite sowohl in der Ebene als auch senkrecht zur Ebene haben. Abhängig von der Textur-Qualität können die Filme Einkristall-ähnliche (strukturelle) Eigenschaften haben. Das heteroepitaktische Wachstum von Silber auf Silizium-, Magnesiumoxid- und Zinkoxid-Einkristallen erlaubte eine 20 % Verbesserung des Widerstandes verglichen mit den Standard Silber/Zinkoxid Schichtstapel. Magnesiumoxid (200) Wachstumstemplate lieferten besonders gute elektrische Eigenschaften. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die Ionenstrahlgestützte Sputter-Deposition von Magnesiumoxid eingeführt, die eine biaxiale Texturierung des Silbers ohne die Verwendung eines Bulk-Einkristalls erlaubt. Neben der Optimierung wurden die elektrischen Transporteigenschaften von Silber-Dünnfilmen untersucht, mit dem Ziel, die Haupteinflussfaktoren auf den Widerstand zu identifizieren. Durch die Untersuchung von verspannten Zinkoxid-Saatschichten konnte der Einfluss von Versetzungen untersucht werden. Deren Abbau führte zu einer Reduktion des Silber-Widerstandes, wenn die Silber-Dünnfilme auf verspanntem Zinkoxid aufgewachsen wurden. Der Vergleich von Silber auf verschiedenen Einkristallen zeigte, dass sowohl strukturelle Ordnung als auch Kleinwinkelkorngrenzen für die Entstehung von geringen Silber-Widerständen entscheidend sind. Jedoch kann eine nicht hinreichende Benetzung dennoch zu schlechten elektrischen Eigenschaften führen, so dass dies ebenfalls ein weiterer entscheidender Parameter für geringe Widerstände ist. Durch die Verwendung des elektrischen Modells von Mayadas und Shatzkes konnte der Einfluss von Korngrenzen- und Grenzflächen-Streuung für verschiedene Silber-Saatschicht-Systeme entkoppelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass für alle untersuchten Systeme beide Streukanäle eine Rolle spielen. Besonders für das Magnesiumoxid (200)-Silber-System wurden geringe Korngrenzen- und Grenzflächen-Widerstände erreicht. Im Allgemeinen konnte gezeigt werden, dass die Abhängigkeit des Silber-Widerstandes von Benetzung, Kristallstruktur und Grenzflächeneffekten ein mehrparametriges Problem darstellt.