Growth and Raman characterization of selenide and oxide thin-films for photovoltaic and electronic applications

Abstract

In this PhD thesis the growth and characterization of three kind of materials, deposited in form of thin-films, are reported. The materials are Antimony Selenide (Sb2Se3), Gallium Oxide (Ga2O3) and Barium Monoferrite (BaFe2O4), all promising materials for the realization of new devices in the field of photovoltaics and electronics. These materials have been mainly deposited by Low-Temperature Pulsed Electron Deposition (LT-PED) and Radio-Frequency Magnetron Sputtering (RF-MS) techniques. A systematic feed-back information from their characterization was fundamental to tune and define the optimal deposition conditions. Multiple techniques have been used to study the crystalline structure, composition, morphology, optical and electrical properties of deposited thin-films and devices: X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS/EDX), current-voltage measurements in dark and under Solar Simulator illumination, capacitance measurements and admittance spectroscopy. In particular, Raman spectroscopy turned out to be a fundamental complementary tool to finalize the structural characterization provided by XRD measurements and to reach the goal of depositing thin-films with the correct crystallographic phase or properties. Moreover, for the first time a preliminary study is presented on the application of Tip Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) in the characterization at the nanoscale of interfaces, that in this case were those between these films and the neighboring layers. In all the presented cases, the joint materials growth and characterization studies led to improved knowledge on the properties of these promising materials and to an optimization of the deposition process up to obtain good-quality thin-films that can be used for the production of new devices.

In questa tesi di dottorato sono riportate la crescita e la caratterizzazione di tre diversi tipi di materiali, depositati in forma di film sottili. I materiali sono Seleniuro di Antimonio (Sb2Se3), Ossido di Gallio (Ga2O3) e Monoferrite di Bario (BaFe2O4), tutti materiali promettenti per la realizzazione di nuovi dispositivi nel campo del fotovoltaico e dell'elettronica. Questi materiali sono principalmente stati depositati con le tecniche Low-Temperature Pulsed Electron Deposition (LT-PED) e Radio-Frequency Magnetron Sputtering (RF-MS). Uno studio sistematico che fornisse un feed-back continuo sulla loro caratterizzazione è stato fondamentale per la definizione e la messa a punto delle condizioni di deposizione ottimali. Diverse tecniche sono state utilizzate per studiare la struttura cristallina, la composizione, la morfologia, pe proprietà ottiche ed elettriche dei film depositati e dei dispositivi da essi ottenuti: diffrazione a raggi X (XRD), spettroscopia Raman, Microscopio Elettronico a Scansione (SEM), spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS/EDX), misure di corrente-tensione in condizioni di buio o sotto illuminazione di un simulatore solare, misure di capacità e di spettroscopia di ammettenza. In particolare la spettroscopia Raman si è rivelata uno strumento fondamentale e complementare alle misure XRD per definire in modo corretto la caratterizzazione strutturale e per raggiungere l'obiettivo di depositare film sottili con la corretta fase cristallografica e le corrette proprietà. Inoltre, per la prima volta è stato presentato uno studio preliminare sull'applicabilità della tecnica Tip Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) nella caratterizzazione alla nanoscala delle interfacce, in questo caso tra questi film e gli strati confinanti. In tutti i casi presentati, gli studi congiunti di crescita e caratterizzazione dei materiali ha portato sia ad accrescere la conoscenza sulle proprietà di questi promettenti materiali, sia ad ottimizzare i processi di crescita per ottenere film sottili di buona qualità che possano essere impiegati nella produzione di dispositivi innovativi.