"Juli 2019: Maßgeschneiderte verspannte piezoelektrische Oxidschichten als Basis
für akustische Oberflächenwellen-Sensoren"

Ferro-/piezoelektrische Dünnschichten können potenziell für Speicher-, Sensor- oder Mikrowellenanwendungen eingesetzt werden. Eine technologisch hochinteressante, aber auch anspruchsvolle Anwendung ist der Einsatz von Oberflächenwellen-Sensoren (englisch surface acoustic waves – SAW) in Dünnschichtform. Sie bieten eine erhöhte Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen SAW-Sensoren auf Volumenbasis. Kalium-Natrium-Niobat (KxNa1-xNbO3) stellt ein Materialsystem dar, das nicht nur hohe piezoelektrische und elektromechanische Eigenschaften aufweist, die für Dünnschicht-SAW unerlässlich sind. Sondern es ist auch ein bleifreies Material, was jedoch bisher als Schichtmaterial nur wenig untersucht ist, da es leicht flüchtige Komponenten (Natrium, Kalium) enthält.

19 07 Gitter Abb. 1: Vergleich der Gitterparameter der verwendeten Substrate (unterer Teil).
Die Längen der Einheitszellen der KxNa1-xNbO3 Schichten ergeben sich aus dem Verhältnis von NaNbO3 und KNbO3 in den Schichten. Diese Gitterparameter sind oberhalb der schwarzen Linie dargestellt.

19 07 Phasen Phasenübergangstemperatur als Funktion der Verspannung.

Seit mehreren Jahren ist die IKZ Gruppe „Ferroelektrische Oxidschichten“ die einzige Gruppe weltweit, die dieses Materialsystem epitaktisch durch die sogenannte metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) aufwachsen kann. Wir konnten – in enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Roger Wördenweber am Forschungszentrum Jülich (FZJ) – erstmals erfolgreich die Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen in 30 nm dünnen Kalium-Natrium-Niobat-Schichten (K0.7Na0.3NbO3) auf Terbium- und Gadolinium-Scandat-Substraten nachweisen [1,2]. Erste Versuche, diese SAW-Strukturen als Sensoren für Biomoleküle zu nutzen, werden derzeit im FZJ durchgeführt.


Piezo- und ferroelektrische Materialien sind durch Phasenübergänge gekennzeichnet an denen sich mit der Temperatur die Symmetrie des Materials als auch seine funktionalen Eigenschaften ändern. Bei Kalium-Natrium-Niobat-Volumenkristallen ändert sich mit sinkender Temperatur die Symmetrie von einer paraelektrischen, kubischen zu einer Abfolge von ferroelektrischen Phasen mit tetragonaler, orthorhombischer und rhomboedrischer Symmetrie. Um solche Phasenübergange herum sind die elektromechanischen Eigenschaften oft deutlich erhöht. Eine Möglichkeit diese überhöhten Eigenschaften für Anwendungen auszunutzen ist die Temperatur des Phasenübergangs in den Arbeitsbereich des Baudelementes zu verschieben. Ein Ansatz dazu bietet das sogenannte Strain engineering, bei dem durch den Einbau von Gitterverspannungen die Phasenübergänge gezielt auf der Temperaturskala verschoben werden können.


Neben der Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen in dünnen Kalium-Natrium-Niobat-Schichten ist es kürzlich gelungen den Phasenübergang von verspannten Kalium-Natrium-Niobat-Schichten in einem ausgedehnten Temperaturbereich zwischen -15°C und 400°C systematisch einzustellen [3]. Dazu wurden die Schichten epitaktisch auf verschiedenen Seltenerd-Scandaten abgeschieden. Diese Seltenerd-Scandate werden in der Gruppe „Oxide/Fluoride“ im IKZ gezüchtet und weisen – je nach Seltenerd-Metall – einen unterschiedlichen großen Gitterparameter auf. Dies ist zusammen mit den Gitterparametern von NaNbO3 und KNbO3 in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 2 zeigt den Zusammenhang der Temperatur des Phasenübergangs mit der eingebauten (mittleren) Gitterverspannung in den Schichten. Diese Untersuchungen wurden in enger Kooperation mit der Gruppe „Physikalische Charakterisierung“ am IKZ gemacht und fanden im Rahmen eines DFG Projektes und einer Doktorarbeit statt.

 

Referenzen:
[1]    L. von Helden, M. Schmidbauer, S. Liang, M. Hanke, R. Wördenweber, J. Schwarzkopf; Ferroelectric monoclinic phases in strained K0.70Na0.30NbO3 thin films promoting selective surface acoustic wave propagation; Nanotechnology 29, 415704 (2019), https://doi.org/10.1088/1361-6528/aad485
[2]    S. Liang, Y. Dai, L. von Helden, J. Schwarzkopf, R. Wördenweber; Surface acoustic waves in strain-engineered K0.7Na0.3NbO3 epitaxial films on (110) TbScO3, Appl. Phys. Lett 113, 052901 (2018), https://doi.org/10.1063/1.5035464
[3]    L. von Helden, L. Bogula, P.-E. Janolin, M. Hanke, T. Breuer, M. Schmidbauer, S. Ganschow, J. Schwarzkopf; Huge impact of compressive strain on phase transition temperatures in epitaxial ferroelectric KxNa1 xNbO3 thin films; Appl. Phys. Lett. 114, 232905 (2019), https://doi.org/10.1063/1.5094405

 

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