Arbeitsgruppe Ferroelektrische Oxidschichten - Überblick

Auf Grund seiner exzellenten ferro- und piezoelektrischen Eigenschaften wird auch heute noch in vielen elektronischen Bauteilen (wie z.B. Drucksensoren, Ultraschallgeräten, nicht-flüchtigen Speicherbauelementen) Blei-Zirkonat-Titanat verwendet. Blei stellt allerdings eine permanente Gefahr für unsere Umwelt und Gesundheit dar. Eine vielversprechende, bleifreie Alternative ist mit Kalium-Natrium-Niobat, (K,Na)NbO3, basierten Materialien gegeben, die ebenfalls Perowskitstruktur haben. Allerdings ist die Kontrolle der Struktur und Zusammensetzung von (K,Na)NbO3 einerseits eine Herausforderung auf Grund der hohen Flüchtigkeit der Alkalioxide und der vielen Phasenübergänge. Andererseits aber stellt sie auch eine Chance für verbesserte oder neuartige Materialeigenschaften dar.

Am IKZ werden erfolgreich dünne (K,Na)NbO3 Schichten mit der metallorganischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) und der gepulsten Laserabscheidung (PLD) gewachsen. Durch den Einsatz einer chemischen und einer physikalischen Depositionsmethode steht uns ein großer Bereich von Wachstumsparametern zur Verfügung, um deren Einfluss auf Zusammensetzung, Defektbildung, Interfaceeigenschaften und funktionelle Schichteigenschaften zu untersuchen und zu optimieren. Um beispielsweise den Leckstrom in dünnen Schichten zu reduzieren, werden insbesondere die mit PLD abgeschiedenen (K,Na)NbO3 Schichten mit Fremdatomen (wie Cu, Ba, Mn) gezielt dotiert. Mittels eines FE-Testers kann dann das elektrische Verhalten der Schichten gemessen werden.

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Die inhärente Kopplung zwischen Gitterverspannung und elektrischer Polarisation in dünnen, epitaktischen, ferroelektrischen Schichten erlaubt die gezielte Manipulation ihrer funktionalen Eigenschaften. Beim sogenannten „Strain engineering“ kann dies durch die geeignete Wahl von Schichtzusammensetzung und Substratmaterial erreicht werden. Für letzteres steht im IKZ eine einzigartige Vielzahl von Oxidsubstraten zur Verfügung. Von besonderem Interesse ist dabei die Abscheidung von verspannten dünnen Schichten mit induzierter, monokliner Symmetrie, da diese mit besonders guten piezoelektrischen Eigenschaften verknüpft ist. Geeignete Schicht-Substrat-Kombinationen können mit Hilfe eines Verspannungs-Phasen-Diagrammes, welches auf Grundlage der Landau-Ginzburg-Devonshire Theorie berechnet wurde, vorhergesagt werden.

Ein besonders faszinierender Aspekt an ferroelektrischen Schichten ist die Bildung von Domänen. Größe und Ausrichtung der Domänen werden durch die Gitterfehlanpassung zwischen Schicht- und Substratmaterial, der Schichtdicke und der Anisotropie der Gitterverspannung bestimmt. Diese Eigenschaften sowie die Natur der dazwischen liegenden Domänenwände haben einen großen Einfluss auf die makroskopischen, ferro- und piezoelektrischen Kenngrößen der Schichten. Infolgedessen sind Verständnis und Kontrolle der Domänen wesentlich für weitere Anwendungen in elektronischen Bauteilen wie z.B. in erfolgreich realisierten akustischen Oberflächenwellen-Bauelementen. Um diese zu untersuchen verwenden wir einerseits den „Piezoresponse Force“ Modus des bekannten Rasterkraftmikroskopes. Das Ergebnis ist eine ortsaufgelöste Kartierung der Domänenwände und der elektrischen Polarisationsausrichtung in benachbarten Domänen. Für die Bestimmung der piezoelektrischen Koeffizienten wurde ein Doppelstrahl-Laserinterferometer in Betrieb genommen.

Innerhalb eines „Senatsausschuss Wettbewerb“ (SAW) Projekts der Leibniz-Gemeinschaft werden seit Beginn 2017 außerdem dünne Niob-Oxid- und Strontium-Titanat (SrTiO3) Schichten im Hinblick auf ihre Verwendung in der adaptiven Elektronik untersucht. Ziel dabei ist sowohl die Charakterisierung als auch die Kontrolle der eingebauten Defekte.

Neben dem Einbau von anisotropen Gitterverspannungen bietet auch die absichtlich eingestellte Abweichung von der Stöchiometrie eine Möglichkeit, die elektrischen Eigenschaften von Perowskitmaterialien zu beeinflussen. Zusätzlich zu den oben erwähnten Alkali-Niobaten werden unter diesen Gesichtspunkten fundamental Arbeiten an SrTiO3 durchgeführt. Gerade hier bietet die Verwendung zweier grundlegend verschiedener Wachstumsmethoden ein breites Spektrum von Abscheidebedingungen.

Schlüsselpublikationen

B. Cai, J. Schwarzkopf, E. Hollmann, D. Braun, M. Schmidbauer, T. Grellmann, R. Wördenweber
Electronic Characterization of Polar Nanoregions in Relaxor-Type Ferroelectric NaNbO3 Films.
PHYS REV B 93 (2016) 224107
doi: 10.1103/PhysRevB.93.224107

 J. Schwarzkopf,  M. Schmidbauer, A. Duk, R. Wördenweber
Ferroelectric Domain Structure of Anisotropically Strained NaNbO3 Epitaxial Thin Films.
J APPL PHYS 115 (2014) 204105
doi:10.1063/1.4876906

J. Sellmann, J. Schwarzkopf, A. Kwasniewski, M. Schmidbauer, D. Braun, A. Duk
Strained Ferroelectric NaNbO3 Thin Films: Impact of Pulsed Laser Deposition Growth Conditions on Structural Properties.
THIN SOLID FILMS 570 Part A (2014),  107 - 113
doi:10.1016/j.tsf.2014.09.016 

A. Duk, M. Schmidbauer and J. Schwarzkopf
Anisotropic One-Dimensional Domain Pattern in NaNbO3 Epitaxial Thin Films Grown on (110) TbScO3.
APPL PHYS LETT 102 (2013) 091903
doi:10.1063/1.4794405

Arbeitsgruppe Ferroelektrische Oxidschichten - Methoden

Abscheidemethoden:
  • Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD)
  • Pulsed Laser Deposition (PLD)

Charakterisierungsmethoden:
(In Zusammenarbeit mit der AG Physikalische Charakterisierung)
  • AFM, PFM, CAFM
  • spektroskopische Ellipsometrie
  • FE-Tester 

Arbeitsgruppe Ferroelektrische Oxidschichten - Publikationen

D. Braun, M. Schmidbauer, M. Hanke, A. Kwasniewski, J. Schwarzkopf
Tunable ferroelectric domain wall alignment in strained monoclinic KxNa1-xNbO3 epitaxial films
APPL PHYS LETT 110 (2017)  232903
doi.org/10.1063/1.4985191

M. Schmidbauer, D. Braun, T. Markurt, M. Hanke, J. Schwarzkopf
Strain Engineering of Monoclinic Domains in KxNa1-xNbO3 Epitaxial Layers: A Pathway to Enhanced Piezoelectric Properties
NANOTECHNOLOGY 28 (2017)  24LT02
doi.org/10.1088/1361-6528/aa715a

M. Schmidbauer, M. Hanke, A. Kwasniewski, D. Braun, L. von Helden, C. Feldt, S. J. Leake, J. Schwarzkopf
Scanning X-Ray Nanodiffraction from Ferroelectric Domains in Strained K0.75Na0.25NbO3 Epitaxial Films Grown on (110) TbScO3
J APPL CRYST 50 (2017)  519 - 525
doi.org/10.1107/S1600576717000905

M. Sander, A. Koc, C. T. Kwamen, H. Michaels, A. v. Reppert, J. Pudell, F. Zamponi, M. Bargheer, J. Sellmann, J. Schwarzkopf, P. Gaal
Characterization of an Ultrafast Bragg-Switch for Shortening Hard X-Ray Pulses
J APPL PHYS 120 (2016) 193101  
doi: org/10.1063/1.4967835

B. Cai, J. Schwarzkopf, E. Hollmann, D. Braun, M. Schmidbauer, T. Grellmann,R. Wördenweber
Electronic Characterization of Polar Nanoregions in Relaxor-Type Ferroelectric NaNbO3 Films.
PHYS REV B 93 (2016) 224107
doi: 10.1103/PhysRevB.93.224107

J. Schwarzkopf, D. Braun, M. Hanke, A. Kwasniewski, J. Sellmann, M. Schmidbauer
Monoclinic MA Domains in Anisotropically Strained Ferroelectric K0.75Na0.25NbO3 Films on (110) TbScO3 Grown by MOCVD.
J APPL CRYSTALLOGR 49 (2016) 375 - 384
doi:10.1107/S1600576716000182

S. Bin Anooz, P. Petrik, M. Schmidbauer, T. Remmele, J. Schwarzkopf
Refractive Index and Interband Transitions in Strain Modified NaNbO3 Thin Films Grown by MOCVD.
J PHYS D: APPL PHYS 48 (2015) 385303
doi:10.1088/0022-3727/48/38/385303

M. Schmidbauer, J. Sellmann, D. Braun, A. Kwasniewski, A. Duk, J. Schwarzkopf
Ferroelectric Domain Structure of NaNbO3 Epitaxial Thin Films Grown on (110) DyScO3 Substrates.
PHYS STATUS SOLIDI-RAP RES LETT 8 (2014) 522 - 526
doi:10.1002/pssr.201409012

B. Cai, J. Schwarzkopf, E. Hollmann, M. Schmidbauer, M.O. Abdel-Hamed, R. Wördenweber
Anisotropic Ferroelectric Properties of Anisotropically Strained Epitaxial NaNbO3 Films.
APPL PHYS 115 (2014) 224103 
doi:10.1063/1.4882296

J. Schwarzkopf,  M. Schmidbauer, A. Duk, R. Wördenweber
Ferroelectric Domain Structure of Anisotropically Strained NaNbO3 Epitaxial Thin Films.
J APPL PHYS 115 (2014) 204105 
doi:10.1063/1.4876906

J. Sellmann, J. Schwarzkopf, A. Kwasniewski, M. Schmidbauer, D. Braun, A. Duk
Strained Ferroelectric NaNbO3 Thin Films: Impact of Pulsed Laser Deposition Growth Conditions on Structural Properties.
THIN SOLID FILMS 570 Part A (2014),  107 - 113
doi:10.1016/j.tsf.2014.09.016

D. Braun, V. Scherer, C. Janowitz, Z. Galazka, R. Fornari, R. Manzke
In-gap States of In2O3 Single Crystals Investigated by Scanning Tunneling Spectroscopy.
PHYS STATUS SOLIDI A 211 (2014) 59 - 65
doi:10.1002/pssa.201330089

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