Inzipiente Ferroelektrika auf der Basis von Hafniumoxid

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ulrich Böttger; Professor Dr. Alfred Kersch; Professor Dr.-Ing. Thomas Mikolajick
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226260235

Ferroelektrischen (FE) Materialien sind aufgrund ihrer Vielzahl herausragender dielektrischer, elektro-optischer, pyro- und piezoelektrischer Eigenschaften von großem technologischen Interesse in den Bereichen der Sensorik und Aktuatorik bis hin zu Daten- und Energiespeichern. Konventionelle, etablierte Ferroelektrika besitzen meist eine sog. Perowskitstruktur und sind vergleichsweise komplexe Oxide, wie Blei-Zirkonat-Titanat (PbZrxTi1-xO3, PZT) als einer der bedeutendsten Vertreter zeigt.Vor der ersten Förderperiode wurde von den Antragstellern die erstmalige Beobachtung FE Eigenschaften in 10 nm dünnen Si-dotierten HfO2-Schichten publiziert. Dies war besonders überraschend, weil HfO2 sowohl für Keramiken als auch für ultradünne hochpermittive Dielektrika in der Halbleitertechnologie umfangreich untersucht worden war. Die Ursache für Ferroelektrikzität in diesem einfachen Oxid war bis dahin unklar. Eine orthorhombische Pca21-Phase wurde zur Erklärung vorgeschlagen. Ein experimenteller Nachweis gelang jedoch nicht. Dotierung und mechanische Spannungen wurden als Stabilisatoren der FE Phase diskutiert. Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen in der ersten Förderperiode wurden folglich an der Arbeitshypothese ausgerichtet, dass reines HfO2 ein inzipientes Ferroelektrikum sei, dem die genannten Faktoren über die von Natur aus geringe energetische Schwelle zwischen dem para- und dem ferroelektrischen Zustand verhelfen können. Der Berichtsteil diskutiert I) die Stabilisierung inkl. experimentellem Nachweis der Pca21-Phase; II) die Eignung verschiedener Herstellungsmethoden mit Schwerpunkt auf der kostengünstigen, flexiblen Abscheidung aus nasschemischer Lösung; III) die Auswirkung und Eignung unterschiedlicher Dotanden; IV) das zuvor wenig beachtete Zyklenverhalten HfO2-basierter Ferroelektrika.Ziel des Folgeantrages ist es, das physikalisch-theoretische Verständnis der Stabilisierung der ferroelektrischen Phase und den dem Zyklenverhalten zugrundeliegenden Mechanismen in dotierten HfO2-basierten Dünnschichten zu vertiefen. Dies ist sowohl von materialwissenschaftlicher als auch von der Seite zukünftiger Anwendungen von herausragender Bedeutung. Ausgangspunkt der Untersuchungen bilden die in der ersten Förderperiode gewonnen Erkenntnisse, welche eine klare Identifikation der relevanten Faktoren auf dem Weg zu einem physikalischem Multiskalen-Materialmodell für das System HfO2/ZrO2 ermöglichten. Ausgewählte Aspekte sollen im Vergleich zu klassischen Perowskit-Ferroelektrika kritisch diskutiert werden. Analogien sind hierbei hilfreich, jedoch sollen auch Unterschiede klar herausgestellt werden. Die Arbeitspakete gruppieren sich um folgende Teilziele: I) Verständnis des Einflusses der Oberflächenenergie, II) Analyse der Phasenübergänge und der Polarisationsumkehr, III) Untersuchung von bisher nicht eingesetzten Dotierungen, IV) Aufklärung der Rolle von Sauerstoffleerstellen, V) Herausarbeitung der Unterschiede zu klassischen Perowskiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen