Impact of interfaces on the structural and electrical properties of epitaxial PZT heterostructures

Abstract

In dieser Arbeit wurde der Einfluss von künstlich eingeführten Veränderungen - in Form von Grenzflächen, Versetzungen und Dotierungen - auf die mikrostrukturellen und makroskopischen Eigenschaften von epitaktischen PZT40/60- und PZT20/80-Dünnschichten untersucht. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Heterostrukturen mit einer definierten Versetzungs- und Domänenstruktur durch gepulste Laserabscheidung hergestellt. Umfassende mikrostrukturelle Untersuchungen und eine sorgfältige Analyse der resultierenden elektrischen Eigenschaften wurden durchgeführt. Die experimentellen Befunde wurden mittels des SCHOTTKY-Modells und eines LANDAU-GINZBURG-DEVONSHIRE-Ansatzes theoretisch ausgewertet. Es wurde gezeigt, dass die Anzahl der Grenzflächen den Relaxationsgrad der ferroelektrischen Heterostrukturen bestimmt. Das angewandte Dotierungsverfahren kann den Relaxationsgrad zusätzlich beeinflussen, indem der Relaxationsprozess bei geringeren Schichtdicken ausgelöst wird. Bei kleinen Grenzflächendichten können verschiedene Kombinationen von gedehnten Lagen mit wenigen Versetzungen und von entspannten Lagen mit vielen Versetzungen realisiert werden, um Schichten zu erzeugen, die entweder eine hohe remanente Polarisation oder eine hohe Dielektrizitätskonstante besitzen. Falls die Grenzflächendichte ausreichend groß ist, nimmt die Heterostruktur einen einheitlichen Deformationszustand ein. Das ermöglicht hohe piezoelektrische Koeffizienten da so die Eigenschaften von verschiedenen Materialien ohne den dominierenden Relaxationseinfluss kombiniert werden können. Es ist darauf zu achten, die Grenzflächendichte nicht zu sehr zu erhöhen, da die verzerrten Regionen nahe den Grenzflächen die Eigenschaften der gesamten Schicht verschlechtern.