Stress- und Grenzflächendesign zur Optimierung der Ferroelektrizität im Materialsystem Hf1-xZrxO2 (SIDFEM)

• Antragsteller: Professor Dr. Alfred Kersch; Dr. Uwe Schröder
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560447782

Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Untersuchung der Auswirkungen und Mechanismen von mechanischen Spannungs- oder Dehnungseffekten auf die ferroelektrische Phasenbildung, die durch interne oder externe Einflüsse im Hf1-xZrxO2-Materialsystem entstehen, anhand eines Kondensators. Interne Einflüsse sind Verformungen durch ein Sauerstoffungleichgewicht, unterschiedlich große Dotierstoffe oder Zusammensetzungsgradienten wie bei Nanolaminaten. Äußere Einflüsse sind Korngröße und -dicke, Elektrodenfehlanpassung und Pufferschicht. Diese Effekte stören die chemischen Wirkungen und sollten unterschieden werden. Die Eigenschaften, die von Interesse sind, sind der strukturelle Phasenzusammensetzung, die Curie-Temperatur und das Aufwachverhalten. Das übergeordnete Ziel der Untersuchung ist es, die optimalen Bedingungen für temperaturstabile, ferroelektrische Hf1-xZrxO2-Schichten zu finden, die auch geringe Degradation unter elektrischen Feldern zeigen. Das Interesse an Effekten, die sich auf einer größeren Skala als der der Einheitszelle bewegen, erfordert die Fähigkeit, solche Systeme mit großer Genauigkeit in der Simulation zu untersuchen. Daher wird sich die Simulationsarbeit auf die Entwicklung geeigneter maschinell erlernter Potenziale und die Verwendung dieser Potenziale in Molekulardynamiksimulationen der Systeme unter dem Einfluss von Spannung und Temperatur konzentrieren. Die Arbeitspakete führen am Ende zu der Möglichkeit den ferroelektrischen Kondensator gezielt zu optimieren. Diese beinhalten die Auswirkungen von Nanolaminaten und der Variation der Dotierstoff- und Sauerstoffkonzentration über Gitterverzerrungen. Parallel dazu wird ausgehend von einem existierenden ZrO2 Potentialmodell ein verallgemeinertes Potential für Hf1-xZrxO2 entwickelt, in einer zweiten Version inklusive Sauerstoffdefekten. Die Modifikation der Grenzfläche wird in zwei Schritten experimentell untersucht: durch Hinzufügung von Grenzflächenschichten, um die Gitterfehlanpassung an das Ferroelektrikum zu verändern, als auch durch Veränderung des Elektrodenmaterials selber. Diese Untersuchungen werden begleitet von Simulationen unter Verwendung von Spannungsrandbedingungen und anschließend mit einem zusätzlichen atomistischen TiN-Potentialmodell, welches dem Modell für das Ferroelektrikum hinzugefügt wird. Die ferroelektrischen Filmeigenschaften wie die Curie-Temperatur und das Koerzitivfeld werden systematisch experimentell und in Simulation untersucht. Die Modellentwicklung schließt mit der Konstruktion eines verbesserten Dichtefunktionals jenseits von PBEsol ab, welches neben den Gittergrößen auch Barrierenhöhen der Energielandschaft enthält. Die in den vorangegangenen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse über das Materialsystem werden schließlich zur Optimierung des relevanten Gesamtsystems, eines ferroelektrischen 3D-Kondensators, genutzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Ney Henrique Moreira, Ph.D.