Mesoscopic models for the mechanically modulated electrical conductivity of piezoelectric semiconductors

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr. Erion Gjonaj; Professorin Dr.-Ing. Bai-Xiang Xu
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317661385

Die durch äußere und innere mechanische Spannungen hervorgerufene piezoelektrische Polarisation in halbleitenden Oxidkeramiken führt zu einer Modifikation von Potenzialbarrieren und damit der elektrischen Leitfähigkeit an Korngrenzen. Die effektive elektrische Leitfähigkeit polykristalliner Werkstoffe wird zusätzlich durch stochastische Variationen der Mikrostruktur wie Korngröße, Korngrenzeigenschaften und kristallographische Orientierungen sowie durch die damit verbundene mechanische Spannungsfeldverteilung im Material beeinflusst. Der Einfluss der Mikrostruktur manifestiert sich insbesondere in der elektrischen Stromkonzentration entlang weniger Strompfade mit geringem Widerstand innerhalb des Materials. Hinsichtlich der mechanischen Abhängigkeit der effektiven elektrischen Leitfähigkeit polykristalliner Werkstoffe sind die piezoelektrische Korngrenz-Modifikation auf mikroskopischer Skala und die mesoskopischen Stromverteilungseffekte im Material eng miteinander verbunden und sollten als gekoppelte Phänomene gemeinsam untersucht werden.Das Projekt ist der numerischen Modellierung und Simulation der mechanisch modulierten elektrischen Leitfähigkeit von ZnO gewidmet. Mikroskopische Ladungstransportmodelle für Bikristalle und Mehrkorn-Anordnungen unter Berücksichtigung von Drift-Diffusion, thermischer Emission an Korngrenzen und des direkten und inversen piezoelektrischen Effekts, sollen entwickelt werden. Diese Modelle werden benutzt in der Entwicklung von physikalisch motivierten 3D mesoskopischen Ansätzen zur Berechnung der elektrischen Stromverteilung in polykristallinen ZnO-Werkstoffen auf der Basis von Netzwerk- und FEM-Simulation. Dabei sollen stochastische Mikrostruktureigenschaften sowie die genaue mechanische Spannungsverteilung im Material berücksichtigt werden. Zudem wird das mikroskopische Modell verwendet um den Gültigkeitsbereich von mesoskopischen SSimulationen abzuschätzen. Die vorgeschlagenen Modelle sollen zur Simulation und zur elektromechanischen Charakterisierung von ZnO-Varistoren eingesetzt werden. Darüber hinaus sollen ZnO-Dünnfilme mit orientierungstexturiertem Gefüge untersucht werden. Alle Arbeiten sind im Rahmen einer engen Zusammenarbeit mit unseren Kooperationspartnern abgestimmt worden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen