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Projekt
Erforschung der maximalen, piezoelektrischen Polarisation in ternären Metallnitriden (Akronym: Piezo-Explorer)
Antragsteller
Professor Dr. Oliver Ambacher; Professor Dr. Stefan Krischok
Fachliche Zuordnung
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562499410
Die Arbeitshypothese des Projekts „Piezo-Explorer“ lautet: Die maximal erreichbare piezoelektrische Polarisation pro Dehnung sowie maximale Kopplungskoeffizienten von ternären Metallnitriden können durch eine möglichst hohe Legierung zwischen AlN, GaN, InN und ScN, YN, LaN erreicht werden, deren Wurtzit-Gitter noch keine Anzeichen für den Strukturübergang ins das Steinsalz Gitter (bzw. in das geschichtete hexagonale Gitter) zeigen. Das Projekt „Piezo-Explorer“ zielt darauf ab, die maximal erreichbare piezoelektrische Polarisation pro Dehnung sowie den maximalen Kopplungskoeffizienten von ternären Metallnitriden mit Wurtzit-Gitter theoretisch und experimentell zu erforschen. Im Fokus stehen ternäre Legierungen aus halbleitenden, binären Metallnitriden, deren Metallatome im Grundzustand kein oder nur ein ungepaartes d-Elektron besitzen. Aufbauend auf umfangreichen Vorarbeiten an Wurtzit-ScAlN werden Legierungen aus AlN, GaN und InN (Metallatom besitzt kein ungepaartes d-Elektron) mit ScN, YN und LaN (Metallatom besitzt ein ungepaartes d-Elektron) mittels Molekularstrahlepitaxie und Magnetronsputtern in Form dünner Schichten hergestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen, elastischen, dielektrischen, elektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften experimentell charakterisiert und simuliert. Die systematische Variation der ternären Legierungen und die Ermittlung legierungsinduzierter Strukturübergänge sind wichtige Schwerpunkte des Arbeitsprogramms. Die gewonnenen Daten dienen der Bestimmung der durch uniaxialen, biaxialen oder hydrostatischen Druck erzielbaren piezoelektrischen Polarisation pro Dehnung, der Vorhersage der erreichbaren, maximalen Dehnung, die durch ein elektrisches Feld erreicht wird, sowie der Berechnung des maximalen Kopplungskoeffizienten. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird das Potenzial der Legierungen für die verbesserte mikromechanische Aktoren oder die Optimierung piezoakustischer Resonatoren evaluiert. Um das wissenschaftliche und anwendungsbezogene Ziel von „Piezo-Explorer“ zu erreichen, werden vom Projektteam die folgenden Fragen beantwortet: Bei welcher Legierungszusammensetzung findet der strukturelle Übergang vom hexagonalen Wurtzit-Gitter zum kubischen Steinsalzgitter statt, wenn AlN nicht mit ScN, sondern mit YN oder LaN legiert wird? Wie entwickeln sich die strukturellen, elastischen, elektrischen und dielektrischen Eigenschaften ternärer Kristalle in Abhängigkeit von ihrer Legierung? Können mit Hilfe der neuen ternären Nitride im Vergleich zu ScAlN größere Werte der piezoelektrischen Koeffizienten und Polarisation erreicht werden? Welche maximalen Kopplungskoeffizienten und piezoelektrischen Ausdehnungen können mit ternären Metallnitriden erreicht werden? Welches Potenzial haben neuartige ternäre Metallnitride für Anwendungen in Mikroresonatoren und Aktoren?
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
