Neuartige piezoelektrische Dünnfilm-Materialien für Ultraschallanwendungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer; Dr. Peter Gaal; Dr. Jutta Schwarzkopf
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512808298

Ziel unseres Projektes ist die Erforschung eines neuen, materialwissenschaftlichen Ansatzes zum Aufbau hochfrequenter, planarer mikroakustischer Wandler. Diese Bauteile werden z.B. für die Signalverarbeitung in der mobilen Kommunikation oder als mikroakustische Sensoren eingesetzt. Es ist absehbar, dass die bisher üblichen einkristallinen piezoelektrischen Substrate (SiO2, LiNbO3, LiTaO3, AlN, …) ihre Leistungsgrenzen erreicht haben. Unser Projekt untersucht einen radikal neuen Ansatz zur Erhöhung der Performance mikroakustischer Komponenten. Zentrales Element ist dabei eine funktionale Dünnschicht aus einem neuartigen piezoelektrischen Material, das wir für die Umwandlung von hochfrequenten elektrischen Signalen in akustische Signale nutzen. Die besondere Innovation besteht darin, die funktionalen Eigenschaften dieses Materials durch epitaktisches Wachstum zu kontrollieren und es damit im Hinblick auf eine bestimmte Anwendung zu optimieren. Dies geschieht zum einen durch eine absichtliche und kontrollierte Verspannung des Kristallgitters sowie, zum anderen, durch den gezielten Einbau von Defekten. In diesem Projekt verwenden wir bleifreies Kalium-Natrium-Niobat (K_xNa_{1-x}NbO_3), mit dem sich Schichten herstellen lassen, die eine piezoelektrische Ultraschallwandlung erlauben. Deren elektromechanische Wandlungskoeffizienten sind vergleichbar mit denen bleibasierter piezoelektrischer Verbindungen. Allerdings bestehen beim Einsatz von K_xNa_{1-x}NbO_3 keine Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit. Die extrem geringe Schichtdicke von weniger als 100 nm ist eine wesentliche Neuheit im Vergleich zu bestehenden Ultraschallwandler-Systemen mit Schichtaufbau. Insbesondere können dadurch die funktionalen Materialeigenschaften mittels Strain- und Defektengineering mit großer Variabilität optimiert werden. Die Materialstruktur bietet somit einen weiteren Freiheitsgrad bei der Entwicklung einer neuen Generation von Ultraschall-Komponenten. Das Projekt verbindet die Expertise der Antragsteller im Bereich Wachstum dünner piezoelektrischer Filme, deren struktureller und funktionaler Charakterisierung und der Technologieentwicklung von Mikroakustik-Bauelementen. Die Kombination aus grundlagen- und anwendungsorientierter Materialwissenschaft sowie dem Systemdesign ermöglicht es uns, die Potentiale des neuen Materialsystems in Kombination mit einer innovativen Aufbaustrategie auszuloten. Die Entwicklung spezifischer Bauteile ist aber kein Projektziel. Am Ende des Projektes steht vielmehr eine Validierung der Vorteile des neuartigen Materialsystems bei hohen Anwendungsfrequenzen (> 5 GHz) im Vergleich zu bekannten einkristallinen Substraten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen