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Projekt
Domänenwände in LNT-Mischkristallen
Antragsteller
Professor Dr. Lukas M. Eng
Fachliche Zuordnung
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426703838
Das vorliegende Projekt TP6 ist Teil der FOR5044, die sich der Erforschung des Modellsystems Lithiumniobat-Lithiumtantalat (LiNb1-xTaxO3, LNT) für Konzentrationen x = 0 - 100% widmet. TP6 fokussiert sich dabei einerseits (a) auf die nanoskalige Analyse dieser LNT-Mischsysteme, andererseits (b) auf die Darstellung und Charakterisierung von natürlich in LNT auftretenden bzw. induzierten/gepolten Domänenwänden (DWs). Letztlich (c) erarbeiten wir in TP6 auch spezielle Anwendungskonzepte, bei denen die Domänenwandleitfähigkeit (DWC) in LNT im Zentrum steht. – Unsere Untersuchungen in der FOR5044 haben gezeigt, dass LNT nicht einfach als lineare Mischung der Randsysteme LiNbO3 und LiTaO3 zu sehen ist, sondern eine körnige Morphologie mit z.T. heterogener Stöchiometrie aufweist. Das Induzieren von Domänen und DWs ist daher stark von der lokalen elektrischen Feldverteilung geprägt, gegeben durch Korngrenzen, Dotierung, der Spontanpolarisation in den einzelnen Körnern, (Kompensations-)Ladungen, u.a.m..Alle diese Größen sollen in (a) auf der 10-nm-Längenskala vermittels dezidierter Rastersondenmethoden (optisch, phononisch, elektronisch, etc.) quantifiziert werden, um damit die makroskopisch/integral detektierten Befunde erklären zu können. – Damit ist die Grundlage geschaffen, DWs in (b) induzieren zu können, und diese speziell für die Untersuchung des Elektronentransports vermittels des Hall-Effektes bereit zu stellen. Um quantitativ Zugang zu Größen wie Schottkybarrieren und Aktivierungsenergien für die DWC zu erlangen, wird der Hall-Effekt auf drei Arten von außen stimuliert: (i) Photo-induziert, via Generation von Elektronen-Loch-Paaren in einzelnen DWs; (ii) durch mechanische Verspannung (tensil, kompressiv) der LNT-Kristalle und deren DWs vermittels einer Piezo-Presszelle; und (iii) mit variablen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 4K. – Die fundierte Analyse aus (a) und (b) erlaubt uns (c), „gut-leitende“ und „gut-präparierbare“ DWs für drei Anwendungskonzepte speziell in LNT bereit zu stellen: eine DW-pn-Diode, einen DW-Transistor, sowie eine DW-basierte photovoltaische Zelle. Hierzu werden DWs in dreierlei Form präpariert: (i) DWs in Bulk-LNT, für die eine „Durchpolung“ erfolgreich ist/war; (ii) DWs, die mittels Fingerelektroden über relativ kurze Distanzen (~10 µm) in LNT-Mischkristallen und -Dünnfilmen eingeschrieben werden können; sowie (iii) DWs in gebondeten LNT-Systemen; letztere Technik, das direkte Wafer-Bonding, stellt einen komplett neuen Ansatz zur Herstellung von geladenen DWs bzw. Grenzflächen dar. In allen drei Ansätzen spielen der Ta-Anteil und die Li-Stöchiometrie im Kristall eine entscheidende Rolle für deren (Halbleiter-)Eigenschaften, ebenso wie die hier in der FOR5044 gezielt induzierten Volumen- bzw. Grenzflächendotierungen (mit Mg, Hf, Zn). Wir erwarten damit eine große Durchstimmbarkeit der so hergestellten Probensysteme und steuerbare DWC-Charakteristika für die drei genannten DW-Bauelementkonzepte.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
