Gewinnung elektrischer Energie aus mechanischer Deformation durch ferroelektrische Strukturen auf der Nanoebene

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Hahn, seit 11/2015; Professor Dr.-Ing. Ingo Münch
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227613316

Ferroelektrische Dünnschichten besitzen physikalische Eigenschaften, die durch gezielte Strukturierung und Randvorgaben in funktionelles Verhalten überführbar sind. Mit Hilfe unseres Simulationsmodelles wurden Entwürfe erarbeitet, welche einem Schichtsystem die Fähigkeit zur Transformation von mechanischer in elektrische Energie aufprägt. Solch eine Generatorwirkung ist aus piezoelektrischen Systemen auf der Mikro- und Makroebene bekannt. Unser Forschungsvorhaben unterscheidet sich aber von solchen Systemen durch die Manipulation des Materialverhaltens auf der Nanoebene. Dort offenbaren sich die eigentlichen Ursachen und Mechanismen zur Transformation von Energie. Die Topologie der elektrischen Polarisationsdomänen ist für die Funktion entscheidend. Auf größeren Skalen treten die Effekte nur als gemittelte Größen in Erscheinung.Insofern ist die Herstellung von Nanogeneratoren in mehrerlei Hinsicht motiviert: Zum einen können physikalischen Vorgänge genauer untersucht sowie Modelle überprüft und justiert werden und zum anderen ist das Produkt eines Generators für mikroelektronische Anwendungen interessant. Auf dem Weg zu diesen Zielen sind experimentelle Zwischenschritte erforderlich, deren Daten zur Justierung von Modellparametern dienen. Umgekehrt können verbesserte theoretische Prognosen helfen, das experimentelle Arbeitsprogramm zu lenken und effektiver zu gestalten. So können die Generatorentwürfe im Zusammenspiel mit den experimentellen Daten stets überarbeitet und optimiert werden.Das favorisierte Schichtsystem sieht die Laserdeposition von Bariumtitanat auf einem Kaliumtantalat-Substrat mit einer Strontiumruthenat Zwischenschicht vor. Diese Materialkombination ist nach unserem Kenntnisstand bisher nicht erforscht. Jedoch erlauben verwandte experimentelle Arbeiten den Schluss, dass die Machbarkeit gegeben ist. Andernfalls haben wir ein Konzept, welches alternative Schichtkombinationen untersucht. Dem Herstellungsprozess schließt sich immer die Messung der physikalischen Eigenschaften, sowie der Abgleich mit unserem Vorhersagemodell an.Das Vorhersagemodell wurde in den letzten Monaten so ausgebaut, dass sich Aspekte wie elastische Interaktion zwischen den Schichten, ein übergeordneter Stromkreis sowie komplexe Randvorgaben effizient simulieren lassen. Um die Grenzen des Generatorprinzips besser vorhersagen zu können, steht nun die Abbildung von Leckströmen im Ferroelektrikum sowie der Abgleich mit experimentellen Daten auf der Agenda. Gelingt es uns solche Generatorstrukturen herzustellen, können damit grundlegende Effekte wie z.B. die Zunahme der Entropie durch Phasenumwandlung im Ferroelektrikum untersucht werden. Während wir im Vorgängerantrag noch freistehende, ferroelektrische Strukturen im Blick hatten, sind wir nun überzeugt, dass durchgängige Schichten mit strukturierter Top-Elektrode effizienter sind. Diese Nanogeneratoren sind mittels Elektronenstrahl Lithografie leichter umsetzbar als die ursprüngliche Idee.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Werner Wagner
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Marc Kamlah; Dr.-Ing. Jürgen Mohr
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Philipp Leufke, bis 11/2015