Depth-resolved information in muon implantation experiments in films

Abstract

O objectivo desta tese é desenvolver um método para extrair informação de profundidade a partir do uso do muão como sonda em experiências de muões de baixa energia (muões lentos), onde se realiza espectroscopia do muão. Esta informação de profundidade é obtida a partir da dependência dos parâmetros experimentais da experiência com a energia de implantação. A informação dependente da energia consegue identificar diferentes efeitos numa certa amostra, contudo, é crucial determinar a posição espacial e a extensão destes efeitos dentro da amostra de forma a compreendê-los, daí a necessidade de ter uma ferramenta deste tipo.Quatro heteroestruturas semicondutoras compostas por CIGS, geralmente usado em células fotovoltaicas, foram usadas para exemplificar este método. A análise com muões lentos foi feita no instrumento LEM no Paul Scherrer Institut (PSI), na Suíça, com um feixe de muões capaz de funcionar com energias de implementação de 1 - 30 keV, permitindo o controlo da profundidade média de implantação dos muões nas amostras. A análise possibilitada por esta ferramenta permite desvendar detalhes microscópicos da interface dos semicondutores, abrindo o caminho para uma modelação física adequada das suas propriedades.A ferramenta desenvolvida neste trabalho mostrou-se útil para tirar conclusões sobre os dados recolhidos, ainda que uma interpretação mais abrangente dos resultados tenha de ocorrer no futuro.Outros materiais para a passivação superficial do CIGS e outras estratégias de passivação serão estudados no futuro. Já existe uma proposta para estudar filmes CIGS com sua superfície passivada com dióxido de silício SiO2, usando o instrumento LEM no PSI, e uma proposta para usar o ISIS Muon e Neutron Source, no Reino Unido, para estudar amostras policristalinas CIGS. Nesses trabalhos futuros, a ferramenta de análise de profundidade deverá ser uma importante ferramenta de suporte para a análise de dados.

The goal of this thesis is to develop a method for extracting depth-resolved information from the muon probe in low energy muon (LEM) experiments, where muon spin spectroscopy (uSR) is used. This depth-resolved information is to be obtained from the implantation energy dependence of the experimental parameters in the experiment. The energy dependent data is able to identify different effects in a given sample, but it is crucial to infer the spacial position and depth extent of these effects inside the sample in order to better understand them, hence the need for this tool. Four semiconductor heterostructures with cadmium indium gallium selenide (CIGS), commonly used in photovoltaic cells, were used to exemplify the method. The slow muon (low energy) analysis took place in the LEM instrument at the Paul Scherrer Institut (PSI), in Switzerland, with a muon beam ranging from 1 - 30 keV, allowing the control of the average implantation depth of the muons inside the samples. The analysis allowed by the new tool unveils microscopic details of the semiconductor interface, opening the way for adequate physical modelling of its properties.The tool developed in this work proved useful for drawing conclusions from the gathered data, even though a more throughout interpretation of the results is due in the future. Other materials for the surface passivation of CIGS and other passivation strategies will be studied in the future. There is already a proposal to study CIGS films with their surface passivated with silicon dioxide SiO2, using the LEM instrument at the PSI, and a proposal to use the ISIS Muon and Neutron Source, in the United Kingom, to study polycrystalline CIGS samples. In these future works the depth-resolved analysis tool is likely to be an important support tool for the data analysis.