Ferroelektrika auf der Nanoskala

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Matias Bargheer; Professorin Dr.-Ing. Catherine Dubourdieu
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431399790

Eine Schlüsselfunktionalität von Ferroelektrika ist das Unschalten der Polarisation zwischen zwei stabilen Orientierungen durch Anwendung und Umkehrung eines elektrischen Feldes. Mit abnehmender Größe kann die Polarisation instabil werden. Im Projekt FEATS untersuchen wir die Ferroelektrizität von Nanostrukturen auf Halbleitern, die nicht nur ultradünn sind, sondern auch Submikrometer laterale Ausdehnung aufweisen. Neue Aspekte der Ferroelektrizität im Nanometerbereich werden mit Perspektiven der Integration von Ferroelektrika auf Halbleitern für nanoelektronische und integrierte electro-optische Anwendungen untersucht. Atomic layer deposition, reaktives Ionenätzen und Helium-Ionenstrahl-Lithographie werden verwendet, um zylindrische Nanostrukturen mit variabler Höhe und Durchmesser (2-500 nm in der Höhe und 50-800 nm in seitlichen Abmessungen) herzustellen. Raman-Spektroskopie und geometrische Phasenanalyse von aberrationskorrigierten TEM Bildern werden verwendet und mit Ergebnissen der Röntgenbeugung verglichen, um die Gitteverzerrungen der Nanostrukturen zu untersuchen. Wir entwickeln auch fortgeschrittene TEM-Methoden, um auf der Nanoskala die Richtung und Größe der Polarisation der Nanostrukturen zu erfassen. Solche Abbildungsverfahren werden verwendet, um die Auswirkungen verschiedener Randbedingungen auf die geometrische Anordnung der Polarisation (z.B in Vortex- Strukturen) zu entschlüsseln. Schließlich wollen wir die minimale Schaltzeit der Polarisation von ferroelektrischen Nanostrukturen durch Femtosekunden-Pump-Probe-Spektroskopie und ultraschnelle Röntgenbeugungsexperimente unter Verwendung einer Labor- Plasma Röntgenquelle sowie Synchrotronstrahlung bei BESSY II aufklären. Darüber hinaus werden die Domänenbildung und das Umschalten in situ unter einem angelegten elektrischen Feld durch feldinduzierte Erzeugung der zweiten Harmonischen von Femtosekunden-Laserpulsen mikroskopiert und im I2TEM untersucht. Die in situ Charakterisierung durch TEM der ferroelektrischen Domänen (Keimbildung, Ausbreitung ...) unter einem angelegten elektrischen Feld steht der vordersten Front der aktuellen technischen Entwicklung und wurde für Ferroelektrika auf Halbleitern noch nie gezeigt. Die Kombination von in situ TEM und ultraschnellen Beugungsexperimenten soll einen einzigartigen Einblick in die Dynamik von BaTiO3-Filmen und Nanostrukturen freigeben.Zusammenfassend werden wir innerhalb von FEATS grundsätzliche Fragen an der Grenze des aktuellen Wissens über nanoskalige Ferroelektrika auf Silizium untersuchen, die ein gewisses Potential für bahnbrechende Entwicklungen bieten. Darüber hinaus bilden die in FEATS untersuchten Nanostrukturen elementare Bausteine mit zahlreichen Einsatzmöglichkeiten in der Nanoelektronik auf Silizium.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr.-Ing. Sylvie Schamm-Chardon, Ph.D.