Modellierung des Kernformstofffließens als nichtnewtonische Fluidströmung
Final Report Abstract
PbTiO3 (PTO) und daraus durch Substitution von Ti durch Zr abgeleitete (Zro.52Tio.4s)O3 (PZT) - Verbindung sind Keramiken, die durch ihre ferro-, piezo- und pyroelektrischen Eigenschaften zahlreiche Anwendungen in Sensorik, Elektronik, Optik und Telekommunikation finden. Dünnschichten aus diesen Materialien weisen gleiche Funktionalität auf, bei erweiterter Integrierbarke it, Ressourcen- und Energieersparnis. Weiterhin können in einfacher Weise Schichten unterschiedlicher Funktionalität, z.B. piezoelektrisch-magnetisch, miteinender kombiniert werden. Bei dünnen Schichten gewinnen aber, aufgrund der kleinen Dicken, Grenz- und Oberflächen an Bedeutung, insbesondere natürlich für Mehrschichtsysteme, da dort Vorgänge wirksam sein können, die sowohl die MikroStruktur als auch die Eigenschaften in entscheidender Weise beeinflussen können. Dünnschichten aus PTO und PZT werden bevorzugt aus der Lösung, wie z.B. im Sol-Gel-Prozess, kostengünstig hergestellt. Dazu sind aufgrund der hohen Reaktivität der Lösung Edelmetall substrate, am besten Platin, und leitfahige Oxide, wie z.B. (Lai*, Srx)MnO3 (LSMO), geeignet. Bei dünnen Schichten von PTO und PZT auf Platin (Pt) ergeben sich je nach Prozessbedingungen eine Fülle von MikroStrukturen und Eigenschaften, deren Ursachen bis jetzt noch nicht verstanden sind. PZT und PTO auf LSMO weisen starke Unterschiede in den Eigenschaften zu denen auf Platin auf, die nicht nur aus den beteiligten Materialien heraus erklärt werden können. Es muss ein starker Einfluss der Grenzflächen vorliegen, den man gerne verstehen und nutzbar machen würde. Das Ziel des Forschungsvorhabens "Grenzflächenreaktionen und Diffusionsvorgänge in Sol-Gelhergestellten HeteroStrukturen" war die Klärung der Vorgänge an den Grenzflächen von ferroelektrischer Funktionsschicht zu leitender Grundschicht und des Einflusses auf die Eigenschaften des Systems. Die Herstellung der Schichten ist dabei auf das flexible und effiziente Sol-Gel-Verfahren festgelegt. Die erzielten Ergebnisse konnten verschiedene grundlegende Fragen vollständig klären: • Die Vorgänge an den Grenzflächen zu Pt und zu LSMO unterscheiden sich grundlegend. An Pt kommt es zur Bildung einer Grenzflächenschicht neben PZT und Pt, der intermetallischen Phase PtxPb. An LSMO bildet sich durch Diffusion der Elemente ein Materia l gradient. • Die vorher schon diskutierte, aber weitgehend ungeklärte intermetallische Phase konnte sicher nachgewiesen werden. Ihre Entstehung und auch Rückbildung konnte in sorgfältigen Experimenten verfolgt werden. Diese Phase bildet sich zunächst immer und wird dann aber durch die bei hoher Temperatur einsetzende Kristallisation von PTO bzw. PZT zurückgebildet. Ein Rest bleibt aber auch dann bestehen, wenn diese Phase mit den üblichen Röntgenuntersuchungen nicht mehr nachweisbar ist. Dies gelang mit empfindlichen XPS-Untersuchungen. Die intermetallische Grenzflächenschicht beeinflusst die kristallographische Orientierung (Textur) der PTO-- bzw. PZT-Schicht; sie fördert die Entstehung einer reinen (l l l)-Textur. • Die Kristallisation von PZT erfolgt nach der Reduktion der intermetallischen Phase und vor der Ausbildung von PZT über eine titanreiche tetragonale Zwischenphase. • Diese genaue Kenntnis der Grenzflächenvorgänge erlaubt die Kontrolle der Textur. Es konnten zwei spezifische Präparationsweisen angegeben werden, mit denen die (lOO)-Textur deutlich gefördert wird. Dies verbessert einige Materialeigenschaften. Die Schichtpräparation wurde methodisch um die Verwendung ultravioletten Lichts erweitert. • Die Grenzschichten von PTO und PZT zu LSMO sind geprägt von breiten Bereichen mit Materialgradienten, die durch Diffusion von La, Mn und auch Pb entstehen. Die Dicken dieser Gradientenschichten können in Abhängigkeit der Temperaturen und weiterer Präparationsdetails sowie der Materialstöchiometrie über 40 nm erreichen. • Die vielfaltig gemessenen Materialeigenschaften und ihre Dickenabhängigkiet fugen sich konsistent in das durch die Strukturuntersuchungen gewonnene Bild ein. Als Abschluss wurden Multilayersysteme aus PZT und LSMO betrachtet, die für Anwendungen vielversprechende Eigenschaftskombinationen besitzen.
Publications
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M. Es-Souni, A. Piorra, S. Habouti, S. K. Rudra, and F. Faupel, (Lao.8i Sro.2)MnOi /Ti-metalfoil substrate heterostructure effects on the ferroelectric and piezoelectric properties ofleadzirconate titanate thin films,, Applied Physics Letters 87, (2005)182910.
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S. Habouti, C-H. Solterbeck, and M. Es-Souni, UVassisted pyrolysis of solution deposited BiFeO3 multiferroic thin films. Effects on microstructure and functional properties, Journal of Sol-Gel Science & Technology 42 , (2007), 257.
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S. Habouti, C. Solterbeck, M. Es-Souni, V. Zaporojtchenko, and F. Faupel, Interface properties ofPbTiOsand PZT thin films on Pt-terminated substrates, Frühjahrstagung der DPG 2008, Berlin
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S. Habouti, C. Solterbeck, M. Es-Souni, V. Zaporojtchenko, and F. Faupel, Interface properties ofPZTon LSMO and Pt-terminated substrates, Friihjahrstagung der DPG 2007, Regensburg
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S. Habouti, C. Solterbeck, M. V. Zaporojtchenko, and M. Es-Souni, Electrical properties of sol-gel derived heterolayers of PZT and LSM thin films, 2nd International Workshop on Smart Materials and Structures, 2007, Kiel
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S. Habouti, C.-H. Solterbeck, S. K. Rudra, and M. Es-Souni, Optimization of sol-gel preparation and physical properties of multiferroic BiFeOs thin films, Frühjahrstagung der DPG 2006, Dresden
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S. Habouti, S. K. Rudra, C.-H. Solterbeck, M. Es-Souni, and V. Zaporojtchenko, Lao.sSro.jMnOs buffer layer effects on microstructure, leakage current, polarization and magnetic properties ofBiFeO^ thin films, Journal of Applied Physics 102, (2007), 044113.
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S. K, Rudra, S. Habouti, C.-H. Solterbeck, M. Es-Souni, V. Zaporojtchenko, M. Scharnberg, and F. Faupel, Interfacial properties ofPb(Zro.52Tio.48)O3 on Pt(l l l)/Ti/SiO2/Si heterostructure, Frühjahrstagung der DPG 2006, Dresden
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S. K. Rudra, S. Habouti, V, Zaporojtchenko, and M. Es-Souni, Control of microstructure and functional properties ofPZTthinßlms via UV assisted pyrolysis, Journal of Sol-Gel Science & Technology 42, (2007) 309.
