Strukturelle und elektrische Charakterisierung ferroelektrischer Materialien mittels Elektronenmikroskopie und -holographie

• Antragsteller: Professor Dr. Hannes Lichte
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5470500

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

• Die Miniaturisierung ferroischer Bauelemente erfordert die Kenntnis der Nanostrukturen, beispielsweise des Einflusses von Substraten und Grenzflächen auf Polarisationsverhalten. • Deshalb wurden von uns Methoden der TEM-Elektronenmikroskopie zur hochaufgelösten Aufklärung von Funktions- Strukturzusammenhängen eingesetzt. • Das Aufwachsverhalten von Funktionsschichten wird durch das Substrat bestimmt; es kann durch ausgewählte Zwischenschichten verbessert werden. • Durch Verspannung und mechanische Belastung wurden in PZT, STO und BTO Ruddlesden-Popper-ähnliche Phasen gefunden und untersucht. • In BTO wurde die lokale Polarisierung aufgrund der Verschiebung der Ti-Atome festgestellt. Insbesondere in gestörten Bereichen kann sich die Polarisation deutlich in atomaren Dimensionen verändern. • Mittels DFT-Rechnungen wurden die strukturellen elektrischen und magnetischen Eigenschaften berechnet. Mit Hilfe der Methode der effektiven Bornschen Ladungen wurde die lokale elektrische Polarisation bestimmt. • Nach Ausweis dieser Rechnungen ist noch nicht zu erwarten, dass die elektrischen Felder auf atomarer Skala direkt mittels Elektronenholographie nachgewiesen werden können. Sie werden von anderen phasenschiebenden Effekten z.B. von der dynamischen Beugung durch Gitterspannung und Dickeneffekte überlagert. Noch nicht verstanden sind die Phasenschiebungen beispielsweise an Ruddlesden-Popper Phasen. • Aber die genaue Ausmessung der atomaren Positionen der Zentralatome in den Einheitszellen erlaubt die Bestimmung der Polarisation z.B. über Grenzflächen und die Bestimmung der unterschiedlichen Abschirmlängen bei elektronischer Kompensation in Leitern und ionischer Kompensation in Nichtleitern. • Es wurde ein in-situ-Feldhalter entwickelt, der erlaubt, Felder bis zur Feldstärke des „fieldswitching“ von Polarisationen in Ferroelektrika zu erzeugen. Es stellte sich als besonders wichtig heraus, dass die Elektroden keinen Kontakt zur Probe haben, weil sonst – auch in einem Isolator – störende Leckströme auftreten. Gegenwärtig wird das Verfahren weiterentwickelt, um Verteilungen der Dielektrizitätskonstanten in Materialien per Holographie messen zu können. • Die Untersuchung von Ferroelektrika mittels TEM-Mikroskopie und -Holographie konnte durch das vorliegende Projekt wesentlich vorangebracht werden. Die Grundlagen der ferroelektrischen Felder können detailliert modelliert und die Wechselwirkung mit den Elektronen entsprechend simuliert werden. Viele der erzielten Ergebnisse zeigen jedoch, dass noch erheblicher Erkenntnisbedarf besteht, beispielsweise in der Sekundärwirkung der Felder auf die kristallographische Struktur wie lokale Kippung, Strain und Displacement der Zentralatome. Besonders interessant wird auch der Einsatz des In-situ-Feldhalters für diese Fragestellungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Oriented growth of Srn+1TinO3n+1 Ruddlesden-Popper phases in chemical solution deposited thin films, J. Solid State Chem. 179 (N6) (2006) 1864-1869
  E. Gutmann, A. Levin, M. Reibold, J. Müller, P. Paufler, D. Meyer
  
• Reversible Electrical Field-Induced Formation of Ruddlesden-Popper Phases in Strontium Titanate at Room Temperature in „Current and Future Trends of Functional Oxide Films”, edited by D. Kumar, V. Craciun, M. Alexe, K. K. Singh (Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 928E, Warrendale, PA, (2006), 0928-GG14-21
  D.C. Meyer, A.A. Levin, T. Leisegang, E. Gutmann, M. Reibold, P. Paufler, W. Pompe
  
• Reversible tuning of a series of intergrowth phases of the Ruddlesden-Popper type SrO(SrTiO3)n in an (001) SrTiO3 single-crystalline plate by an external electric field and its potential use for adaptive X-ray optics, Appl. Phys. A 84 (2006) 31-35
  D.C. Meyer, A.A. Levin, T. Leisegang, E. Gutmann, P. Paufler, M. Reibold, H. Lichte, W. Pompe
  
• Why is SrTiO3 much stronger at nanometer than centimeter scale?, Solid State Sciences 8(2006) 782-792
  P. Paufler, B. Bergk, M. Reibold, A. Belger, N. Pätzke, D. Meyer
  
• X-ray investigation, high-resolution electron holography and density functional calculations of single-crystalline BaTiO3, Phys. Rev. B 74, 134116 (2006)
  A. Rother, T. Leisegang, S. Gemming, I. Chaplygin, M. Reibold, D. C. Meyer, P. Paufler, H. Lichte, G. Seifert
  
• „Erratum: X-ray investigation, high-resolution electron holography and density functional calculations of single-crystalline BaTiO3, Phys. Rev. B 74 (17) (2006) 179903
  A.Rother, M. Reibold, H. Lichte, T. Leisegang, A. A. Levin, P. Paufler, D. C. Meyer, S. Gemming, I. Chaplygin, G. Seifert, A. Ormeci, H. Rosner
  
• Electron Holography: Application to Materials Questions, Annual Review of Materials Research, Vol. 37 (2007), 539-588, ISBN 978-0-8243-1737-9
  Hannes Lichte, Petr Formanek, Andreas Lenk, Martin Linck, Christopher Matzeck, Michael Lehmann, Paul Simon
  
• Moire Patterns in Superimposed Nanoporous Thin Films Derived from Block- Copolymer Assemblies, Nano Lett. 7 (2007) 3628-3632
  Valeriy Luchnikov, Alexey Kondyurin, Petr Formanek, Hannes Lichte and Manfred Stamm
  
• Ab-initio simulation of the object exit wave of ferroelectrics, AMTC letters, Vol. 1 100, 2008
  A. Rother, S. Gemming, I. Chaplygin, T. Leisegang and H. Lichte
  
• Designing of perovskite-related crystalline structures in nanometer thin films, VDI Berichte 2027 (Proceedings of Nanofair 2008), VDI Verlag, Düsseldorf 2008, ISBN 978-3-18-092027-6, S. 31-34
  E. Gutmann, M. Reibold, D. C. Meyer
  
• Large area deposition of Pb(Zr,Ti)O3 thin films for piezoelectric MEMS devices, J. Electroceram. 20(2008)17-20
  G. Suchanek, V.S. Vidyarthi, M. Reibold, A. Deyneka, L. Jastrabik, G. Gerlach, J. Hartung
  
• Ruddlesden-Popper phase formation in Pb(Zr,Ti)O3 thin films, Ferroelectrics 370 (2008) 104-112
  G. Suchaneck, V. S. Vidiyarthi, G. Gerlach, M. Reibold, A. A. Levin, D. C. Meyer
  
• A 150 mm wafer technology for highly (111) oriented Pb(Zr,Ti)O3 films on BaPbO3/Pt electrode, Ferroelectrics, 390, 1-8, 2009
  V.S.Vidyarthi, G.Suchanek, M. Reibold, R. Grötzschel, G. Gerlach
  
• A model system for strain effects: epitaxial films on a piezoelectric Substrate, EPJB (MEI PIC – Konferenz-Band) 2009
  K. Dörr, O. Bilani-Zeneli, A. Herklotz, A. D. Rata, K. Boldyreva, J.-W. Kim, M. C. Dekker, K. Nenkov, L. Schultz A, M. Reibold, H. Lichte
  
• Conduction at domain walls in oxide multiferroics, Nat. Mater. 2009
  J. Seidel; L. W. Martin; Q. He; Q. Zhan; Y.-H. Chu; A. Rother; M. Hawkridge; P. Maksymovych; P. Yu; M. Gajek; N. Balke; S. V. Kalinin; S. Gemming; H. Lichte; F. Wang; G. Catalan; J. F. Scott; N. A. Spaldin; J. Orenstein & R. Ramesh