Untersuchung des EInflusses von Verspannung und Dotierung auf bleifreien antiferroelektrische dünne Schichten

• Antragsteller: Professor Dr. Lambert Alff
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521998545

In letzter Zeit hat das Interesse an antiferroelektrischen Materialien (AFE) aufgrund erwarteter Anwendungen in der nachhaltigen Energieversorgung zugenommen. Dünne Schichten dienen als ideale Modellsysteme zur Untersuchung der intrinsischen Festkörpereigenschaften, da sie einkristallin, mit kontrollierter epitaktischer Dehnung und Substitutionsdotierung synthetisiert werden können. Insbesondere die Klärung des Zusammenhangs zwischen biepitaktischer Verspannung und den AFE-Eigenschaften verspricht eine Verbesserung relevanter Leistungsindikatoren wie z.B. der Energiespeicherkapazität. Dies ist auf den grundlegenden Zusammenhang zwischen Dehnung und Polarisation in (Anti-)Ferroelektrika im Allgemeinen zurückzuführen. Trotz der Relevanz dieses Themas gibt es bisher keine eindeutigen Ergebnisse zu Antiferroelektrika, was vor allem auf die geringe Anzahl von Dünnschichtuntersuchungen zurückzuführen ist, die eine wohldefinierte und überprüfbare Kontrolle von Dehnung und Dotierung ermöglichen. Ein Grund für diesen Mangel an Forschung ist die Schwierigkeit, diese Materialien mit geeigneter kristalliner Qualität zu synthetisieren, einschließlich einer Bodenelektrode für kapazitive Messungen. Auf Grundlage der ersten eindeutig bestätigten antipolaren AFE-Phase in einem reinen NaNbO3-Dünnfilm schlagen wir die folgenden Experimente vor: - Aufwachsen von hochwertigen dünnen Schichten der AFE-Perowskite NaNbO3 und AgNbO3 durch Oxid-Molekularstrahlepitaxie (ADOMBE) mit Charakterisierung der strukturellen (durch Röntgenbeugung (XRD)) und kompositorischen (durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)) Materialeigenschaften mit geeigneten Dotierstoffen zur Stabilisierung der AFE-Phase; - In-situ-Herstellung von Ober- und Unterkontakten zur elektrischen Charakterisierung über eine bereits etablierte Methode unter Verwendung hochleitender Perowskit-Oxide; und - Untersuchung des Zusammenspiels zwischen polaren und antipolaren Phasen zur Optimierung der AFE-Eigenschaften durch Kontrolle der Verspannung unter Verwendung strukturell kompatibler Substrate mit unterschiedlichen Gitterkonstanten. Auf Grundlage der in diesem Projekt erzielten experimentellen Ergebnisse wird ein klares Verständnis des Einflusses von Verspannung und Dotierung/Substitution auf die AFE-Eigenschaften von bleifreien Materialien entwickelt werden können. Diese Resultate werden eine wertvolle Richtschnur für die Kalibrierung von Modellvorhersagen sein und auch dazu beitragen, experimentelle Wege zur Optimierung der Energiespeicherdichte durch Dotierung und Dehnungsmanagement zu definieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen