The semiconductor tritantalum pentanitride (Ta₃N₅) is a promising material for green energy applications, specifically in the photoelectrolysis of water to produce oxygen and hydrogen. With a bandgap of approximately 2 eV, Ta₃N₅ is well-suited for efficient solar light absorption across a broad spectrum, and its band positions align favorably with the redox potential of water. Theoretically, this material could achieve a solar-to-hydrogen efficiency of up to 15.9%. However, the intricate nature of the Ta-N compounds and its metastability have limited research into the development of high-quality Ta₃N₅.   

In this thesis, the metastable Ta₃N₅ films were grown using two types of reactive magnetron sputtering techniques, direct current magnetron sputtering (DCMS) and high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). Several key parameters were found to stabilize the formation of Ta₃N₅ phase, including the amount of oxygen in a gas mixture of Ar and N₂, total working pressure, the Ta₂O₅ seed layer, and Ar/N₂ partial pressure ratio.   

First, sputter growth of Ta-N film using a gas mixture of Ar and N₂ without oxygen gas, only metallic -TaN and ε-TaN phase were formed. After introducing a small amount of oxygen in the process gas (~2% of total working pressure), the oxygen atoms, with higher electronegativity, replace nitrogen atoms to trigger and stabilize the formation of crystalline Ta₃N₅-type structure. In addition, with a suitable Ar/N₂ partial pressure ratio for Ta₃N₅ formation, a low-degree fiber-textural orthorhombic Ta₃N₅ film was formed at the total working pressure range from 5 to 30 mTorr. At 40 mTorr total working pressure, the deposited film transforms to O-rich amorphous Ta-O-N compound. Second, the effect of Ta2O5 seed layer on the control of Ta-N phase was studied. The Ta₃N₅ phase can be grown only with a Ta₂O₅ seed layer assistance. Without the seed layer, only metallic TaN phases were formed no matter if the film was grown with or without oxygen assistance. Furthermore, domain epitaxial growth of Ta₃N₅ film on sapphire substrate was achieved through the control of seed layer’s thickness and crystallinity. While the film was grown on an amorphous TaO_x seed layer, the Ta₃N₅ structure becomes polycrystalline. Third, the formation mechanism and epitaxial growth were studied through microstructural analysis in combination of first-principle density-functional theory calculations. Time-dependent growth evolution of Ta₃N₅ films combined with HRTEM and EDX measurement revealed that the nitridation of Ta₂O₅ seed layer and Ta-N film deposition occurs simultaneously at the beginning of the Ta₃N₅ deposition. Further deposition, the Ta₃N₅ layer was dominated by {00k} domain mixed with (113) domain with a thin TaN layer between Ta₃N₅ layer and substrate. Last, various Ta-N compounds were grown via controlling the Ar/N₂ partial pressure ratio and total working pressure. When the reactive gas was changed from pure Ar to pure nitrogen, the deposited films transformed from Ta metal (mixed with TaO_x), TaN, TaN mixed with Ta₃N₅ to polycrystalline Ta₃N₅ phase. 

To summarize the work conducted in this thesis, I have established a reproducible and precise method for cultivating metastable Ta₃N₅ through the magnetron sputter deposition technique. The elucidated growth mechanism holds promise for synthesizing Ta₃N₅ on diverse substrates using alternative techniques, ensuring a controlled and adaptable approach. 

Halvledaren tritantalpentanitrid (Ta₃N₅) är ett lovande material för gröna energitillämpningar, speciellt i fotoelektrolys av vatten för att producera syre och väte. Med ett bandgap på cirka 2 eV är Ta₃N₅ väl lämpad för effektiv solljusabsorption över ett brett spektrum, och dess bandpositioner är väl anpassade till vattnets redoxpotential. Teoretiskt skulle detta material kunna uppnå en sol-till-väte-effektivitet på upp till 15,9 %. Den komplicerade situationen för Ta-N föreningarna och dess metastabilitet har dock begränsat forskningen om utvecklingen av högkvalitativ Ta₃N₅.  

I denna avhandling växtes de metastabila Ta₃N₅-filmerna med två typer av reaktiv magnetronsputtring, likströms magnetronsputtring (DCMS) och high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). Flera nyckelparametrar visade sig stabilisera bildandet av Ta₃N₅-fasen, däribland mängden syre i en gasblandning av Ar och N₂, totalt arbetstryck, Ta₂O₅ initiallager och Ar/N₂-partialtrycksförhållande.  

Initialt växtes Ta-N-filmer med användning av en gasblandning av Ar och N₂ utan syrgas, där endast metallisk -TaN och ε-TaN-fas bildades. Efter att ha infört en liten mängd syre i processgasen (syrekvot ~2%), ersätter syreatomerna, med högre elektronegativitet, kväveatomer för att trigga och stabilisera bildningen av kristallin struktur av Ta₃N₅. Dessutom, med ett lämpligt Ar/N₂-partialtrycksförhållande vid tillväxt av Ta₃N₅, bildades en låggradig fibertexturell ortorhombisk Ta₃N₅-film vid det totala arbetstryckintervallet mellan 5 till 30 mTorr. Vid 40 mTorr totalt tryck omvandlas den avsatta filmen till O-rik amorf Ta-O-N-föreningsfilm. Sedan studerades effekten av Ta₂O₅ initiallager på kontrollen av Ta-N-fasen. Ta₃N₅-fasen kan endast tillväxas med hjälp av initiallager. Utan initiallager bildades endast metalliska TaN-faser oavsett om filmen odlades med eller utan syreassistans. Dessutom uppnåddes domänepitaxiell tillväxt av Ta₃N₅-film på safirsubstrat genom kontroll av initiallager tjocklek och kristallinitet. Medan filmen odlades på ett amorft TaO_x initiallager blir Ta₃N₅-strukturen polykristallin. Därefter studerades bildningsmekanismen och epitaxiell tillväxt genom mikrostrukturanalys i kombination av densitetsfunktionella teoriberäkningar med first-principle. Tidsberoende tillväxtutveckling av Ta₃N₅-filmer kombinerat med HRTEM- och EDX-mätningar påvisade att nitrideringen av Ta₂O₅ initiallager och Ta-N- filmtillväxt sker samtidigt i början av Ta₃N₅-tillväxten. Ytterligare tillväxt, Ta₃N₅-skiktet dominerades av {00k}-domäner blandat med (113)-domäner med ett tunt TaN-skikt mellan Ta₃N₅-skiktet och substratet. Slutligen odlades olika Ta-N-föreningar med fokus på att kontrollera Ar/N₂-partialtrycksförhållandet och totalt arbetstryck. När den reaktiva gasen ändrades från rent Ar till rent kväve, omvandlades de avsatta filmerna från Ta-metall (blandat med TaO_x), TaN, TaN blandat med Ta₃N₅ till polykristallin Ta₃N₅-fas.  

För att sammanfatta arbetet har jag etablerat en omproducerbar och exakt metod för att odla metastabil Ta₃N₅ genom magnetronsputter deponering. Tillväxtmekanismen påvisar syntetisering av Ta₃N₅ på olika substrat med hjälp av alternativa tekniker, vilket säkerställer ett kontrollerat och anpassningsbart tillvägagångssätt.