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Ralph Klarmann
Laserdeposition ferroelektrischer (Pb0.92La0.08)(Zr0.65Ti0.35)O3-Schichten auf Edelstahlsubstraten
Betreuer: Prof. Dr. Bernd Stritzker [Experimentalphysik IV]
Datum der mündlichen Prüfung: 25.05.2000
105 Seiten, deutsch , Shaker Verlag, Aachen 2000, ISBN: 3-8265-7561-X
Viele Oxidkeramiken mit Perowskitstruktur weisen das interessante Phaenomen der Ferroelektrizitaet auf, die sich durch eine spontane Polarisation des Materials aeussert und mit Hilfe eines externen elek-trischen Feldes umkehrbar ist. In den letzten Jahrzehnten wurden eine Vielzahl neuer Ferroelektrika entdeckt, die besonders als duenne Schichten interessant sind und sich in ihren physikalischen Eigen-schaften sehr stark von gesinterten Keramiken unterscheiden koennen. Ein Material, das sich neben einer hohen dielektrischen Konstante auch durch besonders starke pyro-, piezoelektrische und elek-trooptische Effekte auszeichnet, ist (Pb,La)(Zr,Ti)O3 (PLZT). Durch die grossen Fortschritte, die in der Vergangenheit im Bereich der Duennschicht-Herstellungsverfahren erreicht wurden, koennen die einzigartigen Eigenschaften dieses Materials in die Chip- bzw. Halbleitertechnologie integriert wer-den. Aufgrund dieser Anwendungen konzentriert sich ein Grossteil aller wissenschaftlichen Arbeiten im Bereich ferroelektrischer Duennschichten auf die Abscheidung der Materialien auf Substraten wie Silizium oder anderen Einkristallen. Daneben gibt es nur vergleichsweise wenige Arbeiten ueber Schichtsysteme auf polykristallinen Substratmaterialien. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ferroelektrische PLZT-Schichten auf Edelstahlsubstraten mit Hilfe der gepulsten Laserablation (PLD) herzustellen. Die Staerke von PLD liegt vor allem im stoechiometri-schen Materialuebertrag vom Target auf das Substrat. Sie ermoeglicht ausserdem die Abscheidung in reaktiver Atmosphaere und liefert hohe und kontrollierbare Depostitionsraten. Gerade im Fall von komplexen Materialien wie PLZT, bei dem es insbesondere auf die exakte Einstellung der Kationen-konzentrationen ankommt, erweist sich die Laserdeposition als besonders geeignet. Primaer stellt sich die Frage, ob auf Edelstahlsubstraten ein Wachstum der fuer die Ferroelektrizitaet benoetigten Perowskitphase ohne die Verwendung von Puffer- bzw. Elektrodenmaterialien, wie sie fuer die Deposition auf Einkristallen erforderlich sind, ueberhaupt moeglich ist. In diesem Zusammenhang sind besonders die grundlegenden physikalischen Fragestellungen wie Phasenbildung und Struktur der aufwachsenden Filme von besonderem Interesse. Deshalb soll zunaechst gezielt der Einfluss der Prozessparameter auf die strukturellen und mikrostrukturellen Eigenschaften der PLZT-Schichten auf den Edelstahlsubstraten untersucht werden. Da fuer die Phasenbildung die Bedingungen an der Sub-stratoberflaeche entscheidend sind, soll im weiteren auch ihr Einfluss auf das Wachstum von PLZT-Schichten auf Edelstahl systematisch untersucht werden. Neben diesen grundlegenden physikalischen Fragestellungen sind auch die Anwendungsmoeglichkei-ten ferroelektrischer PLZT-Schichten von besonderem Interesse. Da alle ferroelektrischen Materialien auch pyro-, piezo- und dielektrisch sind, lassen sich z.B. auch IR-Detektoren, Aktoren und Sensoren realisieren. Gerade durch die direkte PLZT-Beschichtung von Edelstahlsubstraten ohne Puffer- bzw. Elektrodenschicht eroeffnen sich neue Perspektiven im Bereich piezoelektrischer Anwendungen. So koennen z.B. sensorische und aktorische Elemente in mikroelektromechanischen Komponenten (MEMS) integriert werden und Oberflaechen aus Stahlblech direkt mit der ferroelektrischen Keramik beschichtet werden. Als weiteres Anwendungsgebiet koennen auch neuartige ferroelektrische "Print on Demand" Verfahren mit diesem Schichtsystem realisiert werden. Dabei werden Edelstahl-Druckwalzen direkt mit PLZT beschichtet und die Bildinformation mit Hilfe lokal polarisierter Berei-che des Ferroelektrikums gespeichert. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich deshalb zur Be-wertung potentieller Anwendungsbereiche auf die elektrischen Eigenschaften der hergestellten Schichten. Neben dem ferroelektrischen Hysterese-Verhalten sollen hier auch elektromechanische und dielektrische Eigenschaften, sowie Degradationseffekte der deponierten PLZT-Schichten unter-sucht werden. Dabei ist von besonderem Interesse, inwieweit die elektrischen Eigenschaften mit der beobachteten Phasenbildung und Struktur korreliert werden koennen.