Ionentransport in dünnen Oxid-Schichten

Ionenbewegung ist einer der fundamentalen kinetischen Prozesse in ionischen Materialien und grundlegend für viele chemische und physikalische Phänomene wie Festkörperreaktionen, Sintern, Zusammensetzungsveränderungen und Ionenströme. Ionentransport wird auch in einer ganzen Anzahl moderner Anwendungen von Funktionskeramiken, wie z.B. chemische Sensoren, Brennstoffzellen, Batterien und Sauerstoffpumpen ausgenutzt. Darüber hinaus spielt er bei der Degradation von dielektrischen und piezoelektrischen Bauelementen eine wichtige Rolle. Das Verständnis von Ionentransportvorgängen in dünnen Oxidschichten mit einigen 10 bis 100 nm Dicke ist hingegen recht gering. Die Zahl der Untersuchungen zu diesem Thema ist zwar zuletzt gestiegen, die Ergebnisse vieler dieser Studien sind jedoch nur teilweise verstanden, einander nicht selten widersprechend und leiden oft unter gewissen Fehlinterpretationen. Dies steht im Kontrast zu der sich stark vergrößernden Bedeutung von dünnen Oxidschichten in einer Reihe von neuen, auf Funktionsmaterialien aufbauenden Technologien, wie z.B. ferroelektrische Speicher (FeRAMs), miniaturisierte Sensoren und elektronische Nasen, pyroelektrische Detektorfelder, high-k Dielektrikas in der Mikroelektronik, Piezoelektrikas für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), etc. Sowohl aus grundlegender Sicht als auch aus Sicht der Anwendungen wäre deshalb ein verbessertes Verständnis des Ionentransports in dünnen Schichten höchst wünschenswert und es besteht ein großer Bedarf an weiteren zuverlässigen experimentellen Daten und entsprechenden Interpretationen zu diesem Thema. Es ist das primäre Ziel dieses Projektes, komplementäre experimentelle Methoden zweier Arbeits-gruppen einzusetzen, um das Verständnis des Masse- und Ladungstransports sowie der Defektchemie in dünnen Oxidschichten zu verbessern. Im Zentrum des Interesses stehen dabei Schichten aus zwei Modellmaterialien, hergestellt mit Hilfe gepulster Laserdeposition: Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ, als Modell-Ionenleiter) und SrTiO3 (als Modellsystem für Mischleiter mit geringer Raumtemperaturleitfähigkeit). Mit Hilfe elektrischer Messungen (u.a. Mikrokontakt-Impe-danzspektroskopie) werden die Rolle von Volumen, Grenzflächen und Korngrenzen beim lateralen und senkrechten Masse- und Ladungstransport in dünnen Schichten aus YSZ und SrTiO3 untersucht. In umfangreichen komplementären Experimenten wird Sekundärionen-Massen-Spektrometrie (SIMS) an feldgetriebenen Tracerprofilen eingesetzt, um den Ionentransport in diesen Schichten zu analysieren und um die Auswirkungen einer möglicherweise veränderten Grenzflächenleitfähigkeit in lateralen und senkrechten Experimenten zu visualisieren. Diese kombinierte Untersuchung von lateralen und senkrechten Leitungsprozessen sowohl in ionisch als auch in gemischtleitenden Modell-systemen mit zwei komplementären experimentellen Methoden (Impedanzspektroskopie und SIMS) soll eine Wissensbasis schaffen, auf der zukünftige Studien aufbauen können. Darüber hinaus können diese grundlegenden Arbeiten wertvolle Informationen für ein besseres Verständnis von Prozessen liefern, die in neuen Produkten mit dünnen Oxidschichten als Funktionselementen auftreten.

Ionenbewegung ist einer der fundamentalen kinetischen Prozesse in ionischen Materialien und grundlegend für viele chemische und physikalische Phänomene wie Festkörperreaktionen, Sintern, Zusammensetzungsveränderungen und Ionenströme. Ionentransport wird auch in einer ganzen Anzahl moderner Anwendungen von Funktionskeramiken, wie z.B. chemische Sensoren, Brennstoffzellen, Batterien und Sauerstoffpumpen ausgenutzt. Darüber hinaus spielt er bei der Degradation von dielektrischen und piezoelektrischen Bauelementen eine wichtige Rolle. Das Verständnis von Ionentransportvorgängen in dünnen Oxidschichten mit einigen 10 bis 100 nm Dicke ist hingegen recht gering. Die Zahl der Untersuchungen zu diesem Thema ist zwar zuletzt gestiegen, die Ergebnisse vieler dieser Studien sind jedoch nur teilweise verstanden, einander nicht selten widersprechend und leiden oft unter gewissen Fehlinterpretationen. Dies steht im Kontrast zu der sich stark vergrößernden Bedeutung von dünnen Oxidschichten in einer Reihe von neuen, auf Funktionsmaterialien aufbauenden Technologien, wie z.B. ferroelektrische Speicher (FeRAMs), miniaturisierte Sensoren und elektronische Nasen, pyroelektrische Detektorfelder, high-k Dielektrikas in der Mikroelektronik, Piezoelektrikas für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), etc. Sowohl aus grundlegender Sicht als auch aus Sicht der Anwendungen wäre deshalb ein verbessertes Verständnis des Ionentransports in dünnen Schichten höchst wünschenswert und es besteht ein großer Bedarf an weiteren zuverlässigen experimentellen Daten und entsprechenden Interpretationen zu diesem Thema. Es ist das primäre Ziel dieses Projektes, komplementäre experimentelle Methoden zweier Arbeitsgruppen einzusetzen, um das Verständnis des Masse- und Ladungstransports sowie der Defektchemie in dünnen Oxidschichten zu verbessern. Im Zentrum des Interesses stehen dabei Schichten aus zwei Modellmaterialien, hergestellt mit Hilfe gepulster Laserdeposition: Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ, als Modell-Ionenleiter) und SrTiO3 (als Modellsystem für Mischleiter mit geringer Raumtemperaturleitfähigkeit). Mit Hilfe elektrischer Messungen (u.a. Mikrokontakt-Impe-danzspektroskopie) werden die Rolle von Volumen, Grenzflächen und Korngrenzen beim lateralen und senkrechten Masse- und Ladungstransport in dünnen Schichten aus YSZ und SrTiO3 untersucht. In umfangreichen komplementären Experimenten wird Sekundärionen-Massen-Spektrometrie (SIMS) an feldgetriebenen Tracerprofilen eingesetzt, um den Ionentransport in diesen Schichten zu analysieren und um die Auswirkungen einer möglicherweise veränderten Grenzflächenleitfähigkeit in lateralen und senkrechten Experimenten zu visualisieren. Diese kombinierte Untersuchung von lateralen und senkrechten Leitungsprozessen sowohl in ionisch als auch in gemischtleitenden Modell-systemen mit zwei komplementären experimentellen Methoden (Impedanzspektroskopie und SIMS) soll eine Wissensbasis schaffen, auf der zukünftige Studien aufbauen können. Darüber hinaus können diese grundlegenden Arbeiten wertvolle Informationen für ein besseres Verständnis von Prozessen liefern, die in neuen Produkten mit dünnen Oxidschichten als Funktionselementen auftreten.