Kinetik des Polarisationschaltens in Ferroelektrischen/Dielektrischen Doppelschicht-Strukturen - FeDiBiS

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Martin Schmidbauer; Dr.-Ing. Stefan Slesazeck
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449644906

In ferroelektrischen Schichten ist das Schalten der elektrischen Polarisation ein grundlegendes Phänomen, das eine Vielzahl von technologischen Anwendungen ermöglicht. Der mikroskopische Schaltmechanismus hängt jedoch entscheidend von den ferroelektrischen Eigenschaften und den elektrostatischen Randbedingungen ab. Zum Beispiel kann das Hinzufügen einer nur Nanometer-dünnen dielektrischen Schicht zwischen dem Ferroelektrikum und den Elektroden einen ferroelektrischen Tunnelübergang (FTJ) erzeugen, was für neuromorphe Computeranwendungen vielversprechend ist. Auf der anderen Seite ist bei dickeren dielektrischen Schichten die Ausnutzung des negativen Kapazitätseffekts (NC) für Bauelemente mit extrem niedriger Leistung attraktiv, denn dies könnte die grundlegenden Grenzen der Verlustleistung in Transistoren überwinden. Die zugrundeliegenden Schaltprozesse in ferroelektrischen/dielektrischen Zweischichtstrukturen sind allerdings noch nicht vollständig verstanden. Im vorliegenden Projekt wollen wir den fundamentalen Zusammenhang zwischen strukturellen und elektrischen Veränderungen beim Schalten von ferroelektrischen Schichten, die in ferroelektrisch/dielektrischen Mehrschichtkondensatorstrukturen eingebettet sind, aufdecken und verstehen. Wir werden uns auf verspannte, bleifreie Kalium-Natrium-Niobat-(KxNa1-xNbO3)-Filme als ferroelektrisches Material konzentrieren, die durch die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht und bei vergleichsweise hohen Sauerstoffpartialdrücken gewachsen werden. Dies führt zu äußerst perfekten, quasi defektfreien, dünnen Filmen mit nahezu exakter stöchiometrischer Zusammensetzung, glatten Ober-/Grenzflächen sowie sehr regelmäßigen ferroelektrischen Domänenmustern. Diese Perfektion ermöglicht es uns, die intrinsischen Schichteigenschaften genauer zu untersuchen. Die Epitaxie wird auf verschiedenen Seltenerdscandat-Substraten durchgeführt, was eine gezielte Variation der epitaktischen Verspannung ermöglicht. Dies führt einerseits zur Abscheidung von ferroelektrischen Phasen mit monokliner Symmetrie, was von hohem technologischem Interesse ist. Andererseits können extrinsische Effekte, wie die Bildung von unterschiedlichen Domänenwandtypen, untersucht werden. Die wissenschaftliche Herausforderung ist die Abscheidung von nahezu perfekten einkristallinen Schichten mit einstellbarer Symmetrie und Domänenanordnung. Die Kinetik des Polarisationsschaltens soll durch korrelierte Operando-Untersuchungen mittels Nanosonden-Röntgenbeugung, die gleichzeitig mit elektrischen Messungen durchgeführt werden, näher untersucht werden. Insbesondere sollen sie helfen die Korrelation von elektrischen Eigenschaften, Schaltverhalten und lokalen Struktureigenschaften von Domänen und Domänenwänden in einem komplexen Materialsystem aufzudecken. Das Projekt vereint die wissenschaftlichen und technologischen Expertisen der beiden Projektpartner IKZ und NaMLab auf ideale Weise.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr. Jutta Schwarzkopf