Perovskites

Sputtertarget auf einer Vakuumkammer

Dünne Schichten und Grenzflächen dielektrischer und ferroelektrischer Perowskite

Perowskite sind bedeutende Materialien für elektronische und elektromechanische Bauteile. Sie finden z.B. Verwendung in Metall-Isolator-Metall Dünnschichtkondensatoren in Speichermedien oder als Aktuatoren für die mechanische Positionierung bei der Benzineinspritzung. Die Prototypen der Perowskite sind SrTiO3 und BaTiO3. Perowskite können dielektrisch (wie z.B. SrTiO3) oder ferroelekrisch sein. Die am weitesten verbreiteten ferroelektrischen Materialien sind dabei BaTiO3 und Pb(Zr,Ti)O3 (PZT).

Für die Funktion eines Bauteils werden typischerweise Metallelektroden benötigt. Es ist bekannt, dass die Wahl dieser Metallelektroden einen beträchtlichen Einfluss auf die Bauteil-Eigenschaften haben kann, was zumindest teilweise mit der möglichen Ladungsträgerinjektion an der Grenzfläche zusammenhängt. Dies kann besonders dann auftreten, wenn die Barriere an der Grenzfläche klein ist. Der metallische Kontakt kann zudem einen großen Einfluss auf das Leckstrom-Verhalten haben. Zusätzlich werden die dielektrischen Eigenschaften, die Stabilität bei Zyklierungen und dielektrische Verluste durch die Kontakteigenschaften bestimmt.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 595 untersuchen wir den Einfluss der Elektroden auf die elektrische Ermüdung von keramischen PZT-Aktuatoren. Wir entwickeln geeignete Elektroden zur kontrollierten Unterdrückung oder Verstärkung der Ladungsträgerinjektion. Die elektronische und chemische Struktur der Elektroden wird mit XPS/UPS charakterisiert.

Forschung

XPS-Übersichtsspektrum einer in-situ präparierten dünnen (Ba,Sr)TiO3-Schicht
XPS-Übersichtsspektrum einer in-situ präparierten dünnen (Ba,Sr)TiO3-Schicht

Wir untersuchen die chemische und elektronische Struktur der Perowskit-Grenzflächen mit der Photoelektronen-Spektroskopie zum grundlegenden Verständnis der Kontaktbildung und dessen Einfluss auf die Bauteileigenschaften. In einem Projekt werden dünne (Ba,Sr)TiO3 Schichten mit Magnetron-Kathodenzerstäubung hergestellt und anschließend in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Elektrotechnik zu abstimmbaren Kondensatoren für den Mikrowellenbereich prozessiert. Zusätzlich untersuchen wir die Barrierenbildung zu verschiedenen Metallen. Unser experimenteller Aufbau (DAISY-Mat) erlaubt dabei eine in-situ Charakterisierung der Grenzfläche mit Hilfe der Photoelektronen-Spektroskopie.

Weiterführende Information über die Materialien

  • R. Waser, Nanoelectronics and Information Technology, (Wiley-VCH, Weinheim, 2003)
  • A. J. Moulson, J M Herbert, Electroceramics, (John Wiley & Sons, 2003)

Untersuchte Systeme

  • Magnetron-Kathodenzerstäubung dünner (Ba,Sr)TiO3 und BaTiO3 Schichten
  • Grenzfläche zwischen (Ba,Sr)TiO3 und BaTiO3 und verschiedenen Metallen
  • Abhängigkeit der SrTiO3/Pt und (Ba,Sr)TiO3/Pt Barrierenhöhe von den Herstellungsbedingungen
  • Grenzfläche zwischen SrTiO3 und RuO2
  • Grenzfläche zwischen SiO2 und (Ba,Sr)TiO3
  • Grenzfläche zwischen PZT and Ag
Barrierenhöhen an der Pt/SrTiO3/Pt Schichtfolge, bestimmt mit Hilfe von XPS. Die Barrierenhöhe an der oberen Elektrode vergrößert sich durch Ausheizen in Sauerstoff
Barrierenhöhen an der Pt/SrTiO3/Pt Schichtfolge, bestimmt mit Hilfe von XPS. Die Barrierenhöhe an der oberen Elektrode vergrößert sich durch Ausheizen in Sauerstoff

Kooperationen

  • Mikrowellenkomponenten: Prof. Rolf Jakoby, Elektrotechnik, TU Darmstadt
  • Elektrische Eiegnschaften von PZT: Prof. Heinz von Seggern, Materialwissenschaft, TU Darmstadt
  • Dielektrische Eigenschaften und Grenzflächen: Dr. Mario Maglione, ICMCB, Bordeaux, Frankreich. Diese Kooperation findet im Rahmen des Europäischen Exzellenz-Netzwerks FAME statt.

Veröffentlichungen

Eine Liste der Veröffentlichungen auf diesem Gebiet folgt in Kürze.