Kooperative Kinetik von Defekten und Domänenstrukturen in Ferroelektrika

• Antragsteller: Professor Dr. Yuri A. Genenko
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405631895

Das allgemeine Ziel des Projekts ist es, die Hauptmerkmale der Bildung und kooperativen Entwicklung von Domänenstrukturen in Ferroelektrika in Gegenwart von mobilen - ionischen oder elektronischen - Ladungsträgern im Inneren oder an der Oberfläche zu bestimmen. Insbesondere werden wir (a) eine selbstkonsistente Beschreibung der Domänenstrukturevolution entwickeln, die von der Kinetik geladener Defekte (z.B. Sauerstoffleerstellen) bestimmt wird; (b) eine Theorie kooperativer Phänomene entwickeln, die von elektroneutralen elastischen Defekten getrieben werden; (c) den Einfluss der nichtlinearen Oberflächenabschirmung auf die Polarisationsschaltung feststellen; und (d) eine selbstkonsistente Beschreibung der Domänenstrukturkinetik in ferroelektrischen Schichten mit 2D-halbleitenden Elektroden ausarbeiten.Die vorgeschlagene Methodik wird 3D-Finite-Elemente-Modellierung und analytische Berechnungen im Rahmen des Landau-Ginzburg-Devonshire-Ansatzes verwenden, die zusätzlich chemische Dehnung, piezoelektrische, elektrostriktive und flexoelektrische Kopplung berücksichtigt. Theoretische Vorhersagen werden durch Vergleich mit beobachteten Phänomenen und speziell durchgeführten Messungen von elektrophysikalischen, polaren und dielektrischen Eigenschaften, und durch vielfältige Charakterisierung von generischen Ferroelektrika (Pb,Zr)TiO3, BaTiO3, BiFeO3, (Cu,In)P2(S,Se)6 and Sn2P2(S,Se)6 mit intrinsischen oder eingeführten Punktdefekten verifiziert.Die kombinierten Methoden ermöglichen es uns, den Einfluss von Volumen- und Oberflächendefekten auf die kooperative Domänenstrukturkinetik in ferroelektrischen Dünnschichten zu untersuchen. Darüber hinaus werden wir die Hystereseschleifen der Polarisation, Raum- und Oberflächenladungsverteilungen sowie die Relaxationsdynamik entsprechender Domänen- und Ladungszustände analysieren.Analytische und numerische Berechnungen werden für generische Modelle durchgeführt, die geladene und elektroneutrale elastische Defekte und freie Ladungsträger im Raum berücksichtigen, sowie die nichtlineare Oberflächenabschirmung durch z.B. Bardeen-Oberflächenzustände, Fermi-Dirac-2D-Elektronengas oder absorbierten Ionen. Als Ergebnis werden die Bereiche der ferroelektrischen, gemischten und nicht-ferroelektrischen Zustände als eine Funktion der Defektkonzentration, der Defektbildungsenergie, der Filmdicke, der angelegten Spannung und der Temperatur dargestellt. Wir werden ferner die Wechselwirkung zwischen der Domänenstruktur und dem Ladungstransport in Ferroelektrika mit 2D-halbleitenden Elektroden untersuchen.Der vorgeschlagene Ansatz wird es ermöglichen, die Besonderheiten der Schaltkinetik und Domänenentwicklung in ferroelektrischen Filmen mit Volumen - und Oberflächendefekten zu untersuchen und Möglichkeiten Ihren Verwendung in Feldeffekttransistoren, Modulatoren, Speicherelementen, elektrischen Wandlern und piezoresistiven Elementen zu eruieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Ukraine
• Partnerorganisation: The State Fund for Fundamental Researches
• Kooperationspartnerin: Privatdozentin Anna N. Morozovska, Ph.D.