Cupferiodid: Epitaxie, Dioden und Ferromagnetismus

• Antragsteller: Professor Dr. Marius Grundmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Afrika-, Amerika- und Ozeanienbezogene Wissenschaften ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255111354

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Kupferiodid war das erste entdeckte leitfähige, transparente Material. Es wurde als Dünnfilm 1905 von Karl Bädeker im Rahmen der experimentellen Arbeiten zu seiner Habilitation an der Universität Leipzig beschrieben. Im hiesigen Projekt wurden mehrere Fortschritte bezüglich der Herstellung und den elektronischen Eigenschaften des CuI erzielt. Nach Optimierungen gelang die Epitaxie von CuI (111) auf ZnO (00.1) bei Raumtemperatur, bedingt durch die Oberflächensymmetrien in zwei Rotationsdomänen. Die im Vergleich mit nicht-epitaktisch abgeschiedenen Dünnfilmen bessere Kristallqualität macht sich u.a. in verbesserten Diodeneigenschaften bemerkbar. So wurden für p-CuI/n-ZnO Dioden (mit Typ-II Bandanpassung) Rekord-Werte für die Gleichrichtung (> 109) erzielt. Zudem wurde für solche Dioden ein Modell mit Grenzflächenrekombination aufgestellt. Die im Projekt hergestellten Dünnschichten stellen auch einen Rekord bzgl. der größten Leitfähigkeit und der besten "figure of merit" aus kombinierter Leitfähigkeit und Transparenz dar (etwa 10x besser als der vorherige Stand). Durch Mn-Dotierung konnte erstmals durch Fremdatome die Leitfähigkeit von CuI reproduzierbar beeinflusst werden. Die geringere Lochdichte geht mit erhöhter Beweglichkeit einher und weist den Weg, auf der Basis von CuI-Kanälen Dünnfilm-Transistoren herstellen zu können. Damit würde sich der Weg für komplementäre, transparente Schaltungen eröffnen. Die thermoelektrischen Eigenschaften des CuI wurden untersucht. Unsere Dünnschichten stellen mit großem Abstand (ZT-Wert etwa 1000x besser als für entsprechende andere bekannte Materialien) das beste transparente p-leitende thermoelektrische Material dar. Ein erstes unipolares thermoelektrisches, flexibles Element wurde demonstriert. Zukünftige werden pn-basierte thermoelektrische, transparente Energieumwandler möglich, die ggf. transparente Schaltungen mit Energie versorgen können. Während der Arbeiten stellt sich heraus, dass die Anforderungen an die Vakuumpumpe der Iodid-Sputterkammer enorm sind (schneller Verschleiß, häufig nötiger Ölwechsel). Die Ergebnisse zu den thermoelektrischen Eigenschaften wurden u.a. in chemie.de berichtet, http://www.chemie.de/news/164150/.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Interface Recombination Current in Type II Heterostructure Bipolar Diodes, ACS Appl. Mater. Interfaces 6(17), 14785-14789 (2014)
  Marius Grundmann, Robert Karsthof, Holger von Wenckstern
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/am504454g)
• Karl Bädeker (1877-1914) and the discovery of transparent conductive materials, phys. stat. sol. (a) 212(7), 1409-1426 (2015)
  Marius Grundmann
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssa.201431921)
• Oxide Bipolar Electronics: Materials, Devices and Circuits, J. Phys. D: Appl. Phys. 49(21), 213001 (25 pages) (2016)
  Marius Grundmann, Fabian Klüpfel, Robert Karsthof, Peter Schlupp, Friedrich-Leonhard Schein, Daniel Splith, Chang Yang, Sofie Bitter, Holger von Wenckstern
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/21/213001)
• Room-temperature domain-epitaxy of copper iodide thin films for transparent CuI/ZnO heterojunctions with high rectification ratios larger than 109, Sci. Rep. 6, 21937 (8 pages) (2016)
  Chang Yang, Max Kneiß, Friedrich-Leonhard Schein, Michael Lorenz, Marius Grundmann
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep21937)
• Room-temperature Synthesized Copper Iodide Thin Film as Degenerate p-Type Transparent Conducting Material with a Boosted Figure of Merit, PNAS 113(46), 12929-12933 (2016)
  Chang Yang, Max Kneiß, Michael Lorenz, Marius Grundmann
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1613643113)
• Lasing in cuprous iodide microwires, Appl. Phys. Lett. 111, 031105 (2017)
  M. Wille, V. Zviagin, R. Deichsel, G. Benndorf, M. Kneiß, L. Trefflich, M. Grundmann, R. Schmidt-Grund, S. Blaurock, V. Gottschalch, H. Krautscheid
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4990524)
• Transparent Flexible Thermoelectric Material Based on Non-toxic Earth-Abundant p-Type Copper Iodide Thin Film, Nature Commun. 8, 16076 (2017)
  C. Yang, D. Souchay, M. Kneiß, M. Bogner, H. M. Wei, M. Lorenz, O. Oeckler, G. Benstetter, Y.Q. Fu, M. Grundmann
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms16076)