Polarisation und Ladung in elektrisch ermüdeten Ferroelektrika

Prof. Dr. H. v. Seggern (FG Elektronische Materialeigenschaften)
Prof. Dr. A. Klein (FG Oberflächenforschung)
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Das langfristige Ziel dieses Forschungsvorhabens ist eine Vermeidung betriebsbedingter Ermüdungen in ferroelektrischen Bauelementen durch zyklische elektrische Belastungen. Im AK von Seggern konnte in Zusammenarbeit mit Projekt D1 (Rödel / Granzow) in der letzten Förderperiode ein extrem starker Einfluss des zyklischen Polens auf den zeitlichen Polarisationsaufbau in PZT-Keramiken gezeigt werden, der sich durch Auftreten von sehr langen Polungszeitkonstanten von bis hin zu mehreren 1000 s etabliert hat. Dieses Ermüdungsverhalten konnte bis heute nicht durchgängig aufgeklärt werden. Deshalb soll dieses Phänomen in dem vorliegenden Projekt eingehender untersucht werden.

Dazu soll ein phänomenologisches Verständnis des Polarisationsaufbaus, möglicher Depolarisationsvorgänge und polarisationsstabilisierender Prozesse sowie deren Beeinflussbarkeit angestrebt und auf ermüdete Bauteile übertragen werden. Hierzu ist geplant, das zeitliche Verhalten, aber auch den räumlichen Aufbau der Polarisation in verschiedenen Ermüdungsstadien zu untersuchen und die physikalischen Ursachen für die veränderten Zeitkonstanten durch Variation der experimentellen Randbedingungen zu ergründen. Dabei soll ein besonderes Augenmerk auf das Zusammenspiel von Raumladung und Polarisation gelegt werden. Deren gegenseitige Beeinflussung und deren unterschiedliche, charakteristische Zeitkonstanten wie die ferroelektrische Schaltzeit, die dielektrische Relaxationszeit und die zeit der Ladungsträger und deren Veränderung durch Ermüdung bestimmen zu einem wesentlichen Teil die Dynamik und die unter experimentellen Randbedingungen wie Zyklenfrequenz und verwendeter Spannung erzielbaren Polarisationscharakteristiken.

Gezielte externe Einflussnahme auf diese Dynamik soll beispielsweise geschehen:
1. durch Licht zur Ladungsträgergeneration oder zur Umbesetzung von Ladungsträgern in Haftstellen,
2. durch Temperatur zur Bestimmung der involvierten Aktivierungsenergien und
3. durch die Variation der Elektrodenmaterialien zur Beeinflussung der Ladungsträgerinjektion.
Hieraus wird Aufschluss über die physikalische Ursache der beobachteten Ermüdung erwartet. Methodisch steht eine Polarisationsapparatur zur Verfügung, die dynamische Vorgänge vom Submikrosekundenbereich bis zu beliebig langen Polungszeiten bei wählbaren Belastungszyklen erlaubt.

Die Messung der räumlichen Verteilung der Ladung und Polarisation soll durch die Laser-induzierte Druckpulsmethode (LIPP) geschehen, die mit dem in der letzten Förderungsperiode angeschafften Laser durchgeführt werden soll und von der Aufschluss über die Existenz und Wechselwirkung von Raumladungen und Polarisation erwartet wird. Eine Steuerung der Ladungsträgerinjektion soll durch geeignete Kontaktmaterialien erreicht werden. Die erforderliche Entwicklung wird durch Untersuchungen der elektronischen Struktur an den Kontakten mittels Photoelektronenspektroskopie unterstützt.