PolaRIS-3D - Messung von piezoelektrischer Polarisierung und mechanischer Verspannung in drei Dimensionen

• Antragsteller: Robert Pennington, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285750842

Die Entwicklung von Methoden, die die mechanische Verspannung kristalliner Materialien oder deren piezoelektrische Polarisierung dreidimensional quantitativ abbilden können, würde unser Verständnis der grundlegenden materialphysikalischen Zusammenhänge in Halbleiternanostrukturen und ferroelektrischen Materialien signifikant voranbringen. Aktuelle Herausforderungen für solche Methoden sind moderne, gezielt verspannte Halbleiternanostrukturen, wie sie z.B. in den aktuellen 22 nm und 14 nm Technologieknoten der Silizium-basierten Halbleitertechnik ganz zentral sind, aber auch komplexe, drei-dimensionale nanometerskalige Domänen in bleifreien piezoelektrischen Materialien. Wir haben kürzlich einen Computeralgorithmus entwickelt, welcher quantitativ und als Funktion der vertikalen Position im Präparat sowohl mechanische Verspannungen, als auch die mit piezoelektrischer Polarisierung einhergehenden winzigen Verschiebungen der Atome aus einem einzigen konvergenten Elektronenbeugungsbild extrahieren kann, wenn auch die Verwendung mehrerer solcher Beugungsbilder robuster ist. Dieser Algorithmus verwendet Optimierungs-methoden aus der Theorie der künstlichen Neuronalen Netzwerke, sowie die "stacked Bloch wave" Simulationsmethode, und ist aus Effizienzgründen speziell für Hochleistungsgrafikkarten (GPUs) implementiert worden. Im Rahmen dieses Projektes sollen die für diese Messmethode notwendige, automatisierte Datenakquisition am TEM weiterentwickelt und eine optimale Extraktion quantitativer Information aus den Messungen realisiert werden. Anschließend soll der von uns entwickelte Algorithmus zur Auswertung von Datensätzen eingesetzt werden, die auf diese Weise von verschiedenen Proben gewonnen wurden, um drei-dimensionale Darstellungen der darin existierenden mechanischen Verspannung und piezoelektrischen Polarisierung zu generieren. Sowohl der Algorithmus, als auch die Messmethodik sollen frei verfügbar gemacht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen