novel Semiconducting ALloys In ENergy Technology

Nye miljøvennlige funksjonelle materialer er viktige for å imøtekomme verdens behov for fornybar energi og energieffektivisering. En klasse av lovende nye materialer for energifangst og effektivisering er halvledende oksider, som for eksempel kan brukes i solceller, lysemitterende dioder og til splitting av vann. I prosjektet "novel Semiconducting ALloys In ENergy Technology" (Salient) har vi utforsket det halvledende oksidet sink oksid (ZnO), og hvordan det kan legeres med et mer modent halvledermateriale, dvs. gallium nitrid (GaN). Teoretisk modellering har vist at ved å blande disse materialene vil den nye legeringen ha helt nye, og delvis mer egnede, egenskaper enn hva de to materialene har hver for seg. Med en slik legering ville man potensielt også kunne omgå noen av de utfordringene man har med rent ZnO, hvor det bl.a. er vanskelig å fremme hulltransport (p-type) som er nødvendig for f.eks. lysemitterende dioder og solceller. Spesielt var vi interesserte i å demonstrere og forstå den båndbøyningen som teorien predikerte oppstår når man legerer ZnO med GaN. Forskningsprosjektet var altså et grunnforskningsprosjekt hvor vi ønsket å forstå den underliggende fysikken rundt slike utradisjonelle legeringer. Prosjektet startet i 2015, og aktiviteten var i starten fokuset på å utforske ZnO-GaN legeringer laget ved hjelp av sputter-deponering. Spesielt så vi på legeringer hvor utgangpunktet var ZnO, dvs. legeringer med opp til 20 % GaN i ZnO. Vi klarte etter hvert i prosjektet å lage filmer av høy kvalitet, og med en sterk båndbøyning som tidligere teoretisk forespeilet. Vi studerte videre effekten av substratet og hva som skjer når en varmebehandler legeringene etter deponering, og på den måten kan studere hva som skjer når et slikt materialsystem bringes mer mot termisk likevekt. Aktiviteten ble støttet av gjesteforskere som gjorde beregninger på ZnO-GaN, hvor det ble vist at det lokale arrangementet av Ga og N er viktig for båndstrukturen. En hovedproblemstilling i Salient var å forstå fysikken bak båndgapsbøyningen som oppstår når ZnO og GaN kombineres i en legering, hvor vi har vist at en modell hvor et defektbånd oppstår i materialet når man f.ek.s introduserer mer og mer GaN i ZnO. Vi begynte også å eksperimentere med nye legeringer som kan være egnet som materiale i solceller, spesielt så vi på legeringer hvor de ulike komponentene (grunnstoffene) er miljøvennlige, ikke giftige og potensielt veldig rimelige. Spesielt så vi den siste tiden på ZNSnN2, som er et nytt og interessant materiale for solcelleanvendelser. Vi har klarte å gro høykvalitets filmer hvor vi kunne måle fundamentale egenskaper som gitterparametere og båndgap, og hvor vi oppnådde en elektronmobilitet som kunne måle seg med det beste som har blitt rapportert. Videre arbeid involverer kontroll av elektriske egenskaper, men dette arbeidet strekker seg ut prosjektet Salient.

An important aim of the project was to increase the competence of the research fellow as a young researcher. This goal was achieved through the research outcome as evidenced by the large number of papers, experience in PhD supervision, international collaboration, and peer-review work for high-impact journals. The Salient project was enabling in all these accomplishments. The project has enabled several collaborations and experiments that would otherwise not have been possible. Salient was a basic research project, contributing to understanding materials related to making renewable energy economically feasible, which is one of the main challenges of our society in the 21st century. The scientific goals of the project was achieved, although one conclusion of the project is that the ZnO-GaN is not optimal for solar cell applications due to the origin of the band bowing effect. Nonetheless, this has been one effort towards the larger goal of environmentally friendly energy harvesting.

With the urgent need of new and environmentally friendly materials for harvesting, conversion and transmission of energy, SALIENT addresses novel semiconducting materials related to thin films and nanostructures of advanced opto-electronic materials. SALIENT is a basic and cross-disciplinary research project combining synthesis, characterization and theoretical modeling within solid state physics and materials science. To expand and radically enhance the functionality of semiconducting oxides, the tuning possibility by unconventional alloying is pursued in order to exceed the performance of the parent semiconductors. Hence, the main scientific objective of SALIENT is to develop and understand the underlying physics of ZnO-X compounds, where X consists of Group III nitrides. The project is divided into two main tasks: I - Synthesis and structural characterization of novel semiconductor alloys based on ZnO and group III Nitrides, and II - Functional characterization and modeling of semiconductor ZnO-X alloys. The synthesis will follow two routes, a low X regime (concentration of X < 1%) utilizing ion implantation, and a high X regime (X > 5%) utilizing magnetron sputtering and atomic layer deposition. Through the development of this novel class of materials, three fundamental solid state physics issues will be explored: i) Controlling the structural properties of ZnO-X alloys, ii) Understanding and tailor the band bowing in ZnO-X alloys, iii) Tuning shallow acceptor level positions with respect to the valence band by ZnO-X alloying. SALIENT is coordinated by Lasse Vines and the LENS research group (Light and electricity from novel semiconductors) at UiO. The project is planned from May 2015 until November 2018 and involves 1 PhD student, 1 Post Doc (2 years), and 1 Guest Researcher (6 Months). SALIENT will further strongly interact with international partners and a recently started long-term and strategic research program entitled FOXHOUND.