Kolossale Piezo- und Pyroelektrizität in He implantierten Gd:CeO₂-Schichten

• Antragsteller: Dr. Andreas Herklotz
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575712790

In mit seltenen Erden dotierten CeO2-Dünnschichten wurden kürzlich große elektromechanische Kopplungsphänomene entdeckt. In unserer Vorarbeit zeigen wir, dass durch He-Ionenimplantation riesige elektromechanische Reaktionen in epitaktischen Gd-dotierten Ceroxid-Dünnschichten induziert werden können. Die Gütezahlen potenzieller Geräte, wie z. B. pyroelektrische und piezoelektrische Koeffizienten, haben im Niederfrequenzbereich bereits die Werte modernster bleihaltiger ferroelektrischer Materialien erreicht. Diese jüngsten Erkenntnisse machen mit seltenen Erden dotierte Ceroxidfilme äußerst vielversprechend für den Einsatz in zukünftigen Dünnschichtsensoren und -aktoren. Erstens ist Ceroxid ungiftig und kann daher breiter eingesetzt werden als bleihaltige Geräte. Zweitens ist die Ionenimplantation nach der Synthese eine etablierte Technik in der Geräteherstellung und mit der bestehenden Halbleiterverarbeitungsinfrastruktur kompatibel. Drittens ermöglicht der Betrieb weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht während der Ionenimplantation den Zugriff auf den Phasenraum, der durch thermodynamische Prozesse während des Standard-Dünnschichtwachstums nicht verfügbar ist. Derzeit fehlt noch ein tiefgreifendes Verständnis der Mechanismen, die die riesigen elektromechanischen Effekte antreiben. Im Rahmen dieses Projekts wollen wir verschiedene experimentelle Strategien anwenden, um diese Mechanismen in mit He-Ionen implantierten, mit seltenen Erden dotierten Ceroxidfilmen zu untersuchen. Das Verstehen und Optimieren wichtiger Implantationsparameter wird die Leistungszahlen wahrscheinlich noch weiter verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. David P. Cann; Dr. Daesung Park; Dr. Thomas Zac Ward