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Ferroelektrisches Zirkonoxid für piezo- und pyroelektrische Bauelemente (Zeppelin)

Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung Förderung von 2020 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433647091
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Hauptziele des Zeppelin-Projekts bestanden darin, das theoretische und experimentelle Verständnis von Ferroelektrizität, Pyroelektrizität und Piezoelektrizität in ZrO 2 und Zr-reichen Hf1-xZrxO2 Schichten erheblich zu verbessern. Insgesamt ist ZrO2 weniger gut untersucht und verstanden als HfO2. Insbesondere die typische Eigenschaft von ZrO2, in dünnen Schichten antiferroelektrisches Verhalten zu zeigen, unterscheidet es von HfO2. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf ferro-, piezo- und pyroelektrische Bauelemente. Im Rahmen des Projekts wurden sowohl die Ursache der Antiferroelektrizität als auch deren Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften von ZrO2-Schichten untersucht. Experimentell wurde eine Vielzahl von Schichtabscheidungstechniken wie ALD, PVD und CSD eingesetzt, um ZrO2- und Hf1-xZrxO2-Schichten zu realisieren. Das Wachstum dicker ZrO2-Schichten war bei ALD- und PVD-Prozessen durch den hohen Anteil der unerwünschten monoklinen Phase bei dickeren Schichten begrenzt, dies konnte durch eine CSD Abscheidung überwunden werden konnte. Es wurde gezeigt, dass die Prozessabhängigkeit vom Sauerstoffgehalt und der Dotierung einen erheblichen Einfluss auf die ferroelektrischen und pyroelektrischen Eigenschaften von ZrO2 Schichten hat. Piezokraftmikroskopische Messungen bestätigten das antiferroelektrische Verhalten von ZrO2, wobei Versuche die lokale piezoelektrische Reaktion von Phasenumwandlungen durch elektrische Felder zeigten. Es wurden Fortschritte beim besseren Verständnis der mechanischen Spannungs- und Dehnungsabhängigkeit der Ferroelektrizität in ZrO2-Filmen erzielt, auf die in künftigen Studien aufgebaut werden kann. Anders als bei ALD- und PVD-Abscheidungen konnten mit CSD dicke Schichten aus ferroelektrischem, undotiertem und Y-dotiertem ZrO2 mit einer Dicke von bis zu 500 nm hergestellt werden. Durch theoretische Berechnungen wurde der Polymorphismus von ZrO2 eingehend untersucht, wobei zwei bisher nicht identifizierte niederenergetische Phasen gefunden wurden. Für dotiertes ZrO2 wurde nur ein kleines Fenster für die Bevorzugung der polaren Phase gegenüber der tetragonalen Phase gefunden. Es wurde ermittelt, dass Sauerstoffatome im Zwischengitter die tetragonale Phase stark destabilisieren und die kinetische Energiebarriere verringern. Weiterhin wurde festgestellt, dass die piezoelektrischen und pyroelektrischen Konstanten sehr variabel negativ, und in der Nähe des Phasenübergangs groß und positiv sind. Insgesamt lässt sich sagen, dass das Zeppelin-Projekt einen wichtigen Beitrag zum Wissen über die ferroelektrischen, piezoelektrischen und pyroelektrischen Eigenschaften von ZrO2-basierten Filmen geleistet hat. Eine Reihe von Folgeuntersuchungen erscheint vielversprechend für ein weiteres Verständnis und die Nutzung dieser Eigenschaften für Speicher-, neuromorphe und Sensoranwendungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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