Supercycle Atomic Layer Deposition for the Fabrication of One-, Two-, and Three-Dimensional Structures for Photonic Applications

Abstract

Atomic layer deposition (ALD) is a thin film deposition technique known for the unique precision of film thickness control combined with the ability to completely conformal functionalize various substrate shapes. Further, ALD processes of at least two different materials can be combined in so-called supercycles to deposit multilayers or to prepare composite structures such as ternary and doped materials. In combination with photonic structures, ALD enables wide tailoring of the functional properties. For example, ALD allows for fine-tuning the optical properties of photonic crystals (PhCs). PhCs are structures consisting of periodically arranged materials with different dielectric constants. Thus, PhCs exhibit wavelength ranges in which light propagation in the PhCs is forbidden, which are denoted as photonic stopbands (PSBs). Moreover, ALD enables coating of different dimensional PhCs (1D, 2D, and 3D) with functional materials, e.g., photocatalysts, which can further expand the properties of PhC structures.

In this thesis, PhCs of different dimensionalities are prepared with ALD-based methods. Compositions and thicknesses of materials deposited with (supercycle) ALD processes are systematically varied to study their influence on the properties of the PhCs. Specifically, the composition-dependent crystallization behavior of 1D PhCs is investigated with a combination of in situ and ex situ X-ray diffraction, transmission electron microscopy, X-ray reflectometry, and spectroscopic ellipsometry. Porous 2D and 3D PhC templates, namely anodic aluminum oxide (AAO) and inverse opals (IOs), are functionalized with photocatalytically active materials by ALD. Their photocatalytic performance is assessed by degrading organic dyes as model pollutants of water. Post-anodization surface modifications of AAO templates result in stable photocatalysis properties over time, which are crucial for studying functional materials. Precise optimization of the ALD-grown materials’ film thickness and composition customizes the composites’ functionalities and enhances and stabilizes their photocatalytic performance. Further improvement is obtained when ultra-thin protection layers are deposited to prevent photocorrosion of the photocatalyst. Moreover, semiconductor heterostructures can facilitate charge carrier separation to enhance the photocatalytic performance. Additionally, multilayer IOs consisting of semiconductor heterostructures can provoke photo-induced crystallization, which further tailors the photocatalytic properties. The combination of ALD and PhCs offers the potential to further expand the utilization of tailor-made structures for photonic applications in the future.

Die Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD) ist ein Verfahren zur Abscheidung dünner Schichten, das für seine einzigartige Präzision bei der Kontrolle der Schichtdicke in Verbindung mit der Fähigkeit, verschiedene Substratformen vollständig konform zu funktionalisieren, bekannt ist. Außerdem können ALD-Prozesse von mindestens zwei verschiedenen Materialien in sogenannten Superzyklen kombiniert werden, um Multilagen abzuscheiden oder Kompositstrukturen wie beispielsweise ternäre und dotierte Materialien herzustellen. In Kombination mit photonischen Strukturen ermöglicht ALD eine breite Anpassung der funktionellen Eigenschaften. Mit ALD lassen sich beispielsweise die optischen Eigenschaften von photonischen Kristallen (engl. photonic crystals, PhCs) fein abstimmen. PhCs sind Strukturen, die aus periodisch angeordneten Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten bestehen. Daher weisen PhCs Wellenlängenbereiche auf, in denen die Lichtausbreitung im PhC verboten ist, was als photonische Stoppbänder (PSBs) bezeichnet wird. Darüber hinaus ermöglicht ALD die Beschichtung von PhCs verschiedener Dimensionen (1D, 2D und 3D) mit funktionellen Materialien, z. B. Photokatalysatoren, wodurch die Eigenschaften von PhC Strukturen erweitert werden können.

In dieser Arbeit werden PhCs verschiedener Dimensionen mit ALD-basierten Methoden hergestellt. Die Zusammensetzungen und Dicken der mit (Superzyklen) ALD-Prozessen abgeschiedenen Materialien werden systematisch variiert, um ihren Einfluss auf die Eigenschaften der PhCs zu untersuchen. Insbesondere wird das von der Zusammensetzung abhängige Kristallisationsverhalten von 1D PhCs mit einer Kombination aus in situ und ex situ Röntgenbeugung, Transmissions-Elektronenmikroskopie, Röntgenreflektometrie und spektroskopischer Ellipsometrie untersucht. Poröse 2D- und 3D-PhC Template, nämlich anodisches Aluminiumoxid (AAO) und inverse Opale (IOs), werden durch ALD mit photokatalytisch aktiven Materialien funktionalisiert, und ihre photokatalytische Leistung wird durch den Abbau von organischen Farbstoffen als Modellverunreinigungen in Wasser analysiert. Nach der Anodisation vorgenommene Oberflächenmodifikationen der AAO Template führen zu langfristig stabilen photokatalytischen Eigenschaften, die für die Untersuchung funktioneller Materialien essenziell sind. Durch die genaue Optimierung der Schichtdicke und der Zusammensetzung der ALD-gewachsenen Materialien werden die Funktionalitäten der Kompositmaterialien individuell angepasst und ihre photokatalytische Aktivität verbessert. Die Abscheidung von ultradünnen Schutzschichten zur Verhinderung der Photokorrosion des Photokatalysators kann eine weitere Verbesserung bewirken. Darüber hinaus können Halbleiter-Heterostrukturen die Ladungsträgertrennung erleichtern und so die photokatalytische Leistung verbessern. Des Weiteren können mehrschichtige IOs, die aus Halbleiter-Heterostrukturen bestehen, eine photoinduzierte Kristallisation hervorrufen, die die photokatalytischen Eigenschaften weiter anpasst. Die Kombination von ALD und PhCs bietet das Potenzial, die Nutzung von maßgeschneiderten Strukturen für photonische Anwendungen in Zukunft zu erweitern.