Piezotronic effects in freestanding microcomposites

• Applicants: Professor Dr. Rainer Adelung; Professor Dr. Lorenz Kienle; Privatdozentin Dr. Bridget Murphy
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2015 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 269936415

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Die Anwendung des piezotronischen Effektes in magnetoelektrischen Sensoren stellt eine Alternative zu konventionellen Spannungsmessung an Piezoelektrika dar. Bereits existierende piezoelektrische Sensoren konnten direkt piezotronisch gemessen werden. Die Nachweisgrenzen solcher nicht angepasster Sensoren liegen jedoch weit über der piezoelektrischen Messung. Bei angepassten Elektroden und der Vermeidung eines zweiten sperrenden Schottky Kontaktes können die piezotronischen Messungen sogar zu einer niedrigeren Nachweisgrenze im Vergleich zu piezoelektrischen Messungen führen. Die kristalline Qualität der piezoelektrischen Phase bestimmt weitestgehend die piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften der im Antrag untersuchten Materialsysteme des hexagonalen Wurtzit-Strukturtyps. Strukturuntersuchungen mittels Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie an sensorrelevanten Dünnfilmen des Aluminiumnitrids und des verwandten AlScN Systems zeigten eine hervorragende Ausrichtung entlang der polaren Achse für kalt abgeschiedene AlN Filme und dessen Teilverlust im System AlScN zu höheren Sc Gehalten. Die Stabilisierung des Kornwachstums entlang der polaren Achse konnte durch eine Adaption der Prozessparameter zu einem Großteil vermieden werden, sodass die höheren piezoelektrischen Eigenschaften für ME Sensoren nutzbar gemacht werden können. Für die piezotronische Anwendung grundlegende Erkenntnisse über die Einflüsse der Nadelgeometrie und der Schichtdicke des magnetostriktiven Materials auf die verspannungsund feldinduzierte Kristallstrukturveränderung in eindimensionalen Komposit ZnO/FeCoSiB Mikrostrukturen wurde mit Nanofokus-Beugungsexperimenten mit Synchrotronstrahlung gewonnen. Dabei wurde gezeigt, dass die in der Grenzfläche gemessene intrinsische Verspannung sich in der Größenordnung um 10^-4 und die magnetfeldinduzierte Verspannung bei 10-5 bewegen und stark abhängig vom Strukturdurchmesser sind. Die Verzerrung der Kristallstruktur an ZnO/Au Kontakten in Schottky-Konfiguration wurde in weiteren Röntgenbeugungsuntersuchungen mit in situ piezotronischer Messung in einem 3D-gedruckten Zugapparat analysiert. Dabei war der Effekt deutlich abhängig von der äußeren mechanischen Spannung und war im Schottky-Kontakt stärker ausgeprägt. Die maximale Verspannung an der untersuchten Grenzfläche liegt bei 4.3x10^-4. Für TEM in situ Experimente wurde ein Zugaufbau, das „Functional Grid“ entwickelt und zur ersten Anwendung anhand eines tetrapodalen ZnO Netzwerks gebracht. Die Modellierung der Designvorgaben und die spezifische Probenpräparation unterliegen weiteren wissensbasierten Verbesserungen.

Publications

• Domain Structure and Reorientation in CoFe2O4, Phys. Rev. B 93, 195427 (2016)
  M. Abes, C. T. Koops, S. B. Hrkac, J. McCord, N. O. Urs, N. Wolff, L. Kienle, W. J. Ren, L. Bouchenoire, B. M. Murphy, and O. M. Magnussen
  
• FFT-impedance spectroscopy analysis of the growth of magnetic metal nanowires in ultra-high aspect ratio InP membranes, Semiconductor Science and Technology 31, 014005 (2016)
  M.-D. Gerngross, J. Carstensen, H. Föll, R. Adelung
  
• Inverse Bilayer Magnetoelectric Thin Film Sensor, Appl. Phys. Lett. 109, 022901 (2016)
  E. Yarar, S. Salzer, V. Hrkac, A. Piorra, M. Höft, R. Knöchel, L. Kienle, and E. Quandt
  
• Low Temperature Aluminum Nitride Thin Films for Sensory Applications, AIP Advances, 6, 075115 (2016)
  E. Yarar, V. Hrkac, C. Zamponi, A. Piorra, L. Kienle, and E. Quandt
  
• Piezotronic-based magnetoelectric sensor: Fabrication and response, Phys. Stat. Sol. A. 213, 2208 (2016)
  J. Gröttrup, S. Kaps, J. Carstensen, D. Smazna, Y. K. Mishra, A. Piorra, C. Kirchhof, E. Quandt, and R. Adelung
  
• Visible-Light Driven Nanoscale Photoconductivity of Grain Boundaries in Self-Supported ZnO Nano- and Microstructured Platelets, Adv. Electr. Mater. 2, 1600138 (2016)
  N. Faraji, C. Ulrich, N. Wolff, L. Kienle, R. Adelung, Y. K. Mishra, J. Seidel
  
• Functional NiTi grids for in situ straining in the TEM; Ultramicroscopy, Vol. 182, pp. 10-16, (2017)
  U. Schürmann, C. Chluba, N. Wolff, D. Smazna, R. Lima de Miranda, P. Junker, R. Adelung, E. Quandt, L. Kienle
  
• Identifying and overcoming the interface originating caxis instability in highly Sc enhanced AlN for piezoelectric micro-electromechanical systems, Journal of Applied Physics 122, 035301, July 2017
  S. Fichtner, N. Wolff, G. Krishnamurthy, A. Petraru, S. Bohse, F. Lofink, S. Chemnitz, H. Kohlstedt, L. Kienle, and B. Wagner
  
• Piezoresistive Response of Quasi-One- Dimensional ZnO Nanowires Using an in situ Electromechanical Device. Acs Omega, 2(6), 2985-2993 (2017)
  S. Kaps, S. Bhowmick, J. Gröttrup, V. Hrkac, D. Stauffer, H. Guo, O. L. Warren, J. Adam, L. Kienle, A. M. Minor, R. Adelung, and Y. K. Mishra
  
• Tunable Strain in Magnetoelectric ZnO Microrod Composite Interfaces; ACS Appl. Mater. Interfaces, 9 (30), pp 25571–25577 (2017)
  S. B. Hrkac, C. T. Koops, M. Abes, C. Krywka, M. Müller, M. Burghammer, M. Sztucki, T. Dane, Kaps, Y. K. Mishra, R. Adelung, J. Schmalz, M. Gerken, E. Lage, C. Kirchhof, E. Quandt, O. M. Magnussen, and B. M. Murphy