Perowskitfilme für ANtiferroelektrische DieLektrika (PFANDL)

Perowskite sind Materialien mit einem besonderen, würfelförmigen Grundmuster auf atomarer Ebene. Dabei sind bei jedem Würfel 3 verschiedene Elemente jeweils in der Mitte, an den Ecken und auf den Seitenflächen des Würfels angeordnet. Bei Oxid-basierten Perowskiten sind das erste und zweite Element jeweils ein Metall, das als positiv geladenes Ion vorliegt, und das dritte Element ist Sauerstoff, der negativ geladen ist. Bei vielen Perowskit-Oxiden können sich die positiv und negativ geladenen Ionen gegeneinander verschieben, sodass die atomaren Würfel polarisiert werden. Die Polarisationen können dabei entweder eine zufällige Ausrichtung haben (paraelektrisches Verhalten), in die gleiche Richtung zeigen (ferroelektrisches Verhalten), oder aber auch abwechselnd nach oben und nach unten (anti-ferroelektrisches Verhalten). Die ferroelektrischen Varianten werden bereits heute in Hochleistungs-Kondensatoren mit hoher Energiedichte zur effizienten Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom eingesetzt. Sie haben allerdings einen Nachteil: Bei der Umwandlung kommt es zu Energieverlusten. Diese Verluste kann man mit anti-ferroelektrischen Varianten minimieren. Anti-ferroelektrische Perowskite gibt es bereits, sie enthalten jedoch Blei, das wegen seiner Toxizität unerwünscht ist. Bleifreie Varianten wären eine attraktive Alternative, aber bei ihnen ist anti-ferroelektrisches Verhalten sehr schwer zu erreichen und erst in wenigen Fällen umgesetzt worden. Das ist besonders dann der Fall, wenn die Materialien nicht als Keramiken hergestellt werden, sondern als dünne Schichten mit einer Schichtdicke im Bereich von 100 Nanometern. Diese Dünnschichten wiederum wären besonders attraktiv für den technischen Einsatz, weil man durch Stapeln vieler Dünnschichten besonders leistungsfähige Kondensatoren erhält. Hier setzt PFANDL an: Es untersucht, wie die besonderen Rahmenbedingungen von Dünnschichten das (anti-) ferroelektrische Verhalten beeinflussen. Dazu gehören die extrem kleine Schichtdicke ebenso wie die besondere Mikrostruktur und die Eigenspannungen, die beim Aufwachsen einer Dünnschicht auf dem Substrat entstehen. Dafür werden in PFANDL neue Simulationsmethoden von der atomaren Skala bis hin zur Mikrometer-Skala entwickelt und angewendet, die es ermöglichen, verschiedene Szenarien durchzuspielen und den Einfluss jeder Rahmenbedingung auf das elektrische Verhalten gesondert zu untersuchen. Parallel dazu werden experimentelle Dünnschichten hergestellt und von der atomaren Skala bis zur Makroskala charakterisiert. Durch die besondere Kombination von hochmodernen Simulationsmethoden und Experimenten werden die Mechanismen untersucht, die anti- ferroelektrisches Verhalten ermöglichen bzw. verhindern. Daraus sollen schließlich Rezepte abgeleitet werden, wie anti-ferroelektrisches Verhalten in bleifreien Perowskit-Dünnschichten realisiert werden kann.