Kapitel 1
Einleitung
Der moderne Lebensbedarf der Menschen erfordert viele interessante Beiträge zur Forschung und Entwicklung von elektrokeramischen Werkstoffen. Neben elektrischen Eigenschaften besitzen einige Materialien auch noch besondere Eigenschaften wie Piezoelektrizität oder Ferroelektrizität. Mit neuen und modernen Technologien können die neuartigen Bauelemente im mikroelektronischen bis nanoelektrischen Bereich gebaut werden.
Die ferroischen Materialien besitzen hohe bis sehr hohe relative Dielektrizitätskonstanten (εr) im Bereich zwischen 100 und 100.000, weshalb sie als Material für Keramikkondensatoren mit hoher Volumenkapazität verwendet werden. Normalerweise ersetzen sie zunehmend die Keramikkondensatoren mit einem Widerstand (R) und einem Spule (L). Dabei haben sie allerdings Nachteile, z.B. die starke Temperaturabhängigkeit und die hohen dielektrischen Verlustfaktoren. Mit hohen Dielektrizitätskonstanten werden sie auch in der Halbleitertechnologie interessant, wo für kleinere Speicherschaltkreise (RAM) hohe Kapazitäten auf engstem Raum benötigt werden. Der Hauptvorteil bei der Verwendung von sogenannten FeRAM (ferroelektrischen RAM) ist, dass diese ihren Ladungszustand im Vergleich zu derzeit (2008) hauptsächlich eingesetzten DRAMs quasi nicht verlieren.
Der Aufbau einer DRAM-Zelle besteht aus einem Kondensator und einem Transistor. Die In-formation wird als elektrische Ladung im Kondensator gespeichert. Jede Speicherzelle speichert ein Bit.
Ein Bit von diesem herkömmlichen FeRAM besteht aus einem Kondensator und aus einem Transistor, welches einen ferroelektrischen Film anstelle eines isolierenden Films des Gatters des einzelnen Feldeffekttransistors benutzt. Der Bereich, der für eine Einzelzelle erforderlich ist, ist lediglich der Raum, der durch den Transistor besetzt ist.
Eine wichtige Entwicklung war der Aufbau eines nanostrukturierten Kondensators. Woo Lee (Max Planck Institut für Physik der Struktur in Halle), hat zusammen mit einem koreanischen Kollegen lithographische Techniken benutzt, um die Herstellung von Arrays von einzeln adressierbaren Metall / Ferroelektrikum / Metall Nanokondensators (Pt/PZT/Pt, PZT ist Blei-Zirkonat-Titanat) mit einer Dichte von 176 Milliarden Stück auf einem Quadratzoll zu erreichen, sie wurden im Juni 2008 [1] in der Öffentlichkeit vorgestellt.
In Kapitel 2 findet man die physikalische Grundlage der PZT-Dünnschichtenkondensatoren. Es beginnt mit der Ferroelektrizität und.....
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Physikalische Grundlage
2.1 Ferroelektrizität in dünnen Schichten
2.1.1 Ferroelektrizität
2.1.2 Piezoelektrischer Effekt
2.2 Elektrodenbegrenzter Ladungstransport
2.3 Kapazität von Dünnschichtkondensatoren
2.4 Der nichtlineare Schwingkreis
2.5 Elastische Gibbssche Energie und Elektrisches Feld
2.6 Chaotisches Verhalten
3 Herstellung der Probe und experimenteller Aufbau
3.1 Herstellung der Probe
3.1.1 Die Abscheidung aus chemischer Lösung
3.1.2 Herstellung der PZT(30/70)-Dünnschicht
3.2 Struktureigenschaften der Probe
3.2.1 Die Perowskitstruktur
3.2.2 Das binäre Diagramm vom PZT-System
3.3 Aufbau des Messplatzes
3.4 Beschreibung des Messungsprogrammes
3.4.1 Lock-In –Verstärker
3.4.2 LCR Brücke
3.4.3 Das Programm „Pulsanalysator“
4 Messungsergebnis und Diskussion
4.1 Homogenität der Kapazität von Dünnschichten
4.2 Kapazität in Abhängigkeit von Frequenz
4.3 Kapazität in Abhängigkeit von Spannung
4.3.1 Kapazität-Spannung UDC Charakteristik
4.3.2 Kapazität-Spannung UAC Charakteristik
4.4 Amplitude-Frequenz-Charakteristik (AFC)
4.4.1 Anregungsspannungsverfahren
4.4.2 Anregungsfrequenzverfahren
4.4.3 AFC bei unterschiedlichen Elektrodenflächen
4.5 Chaotisches Verhalten
4.5.1 Variation der Anregungsfrequenz
4.5.2 Variation der Anregungsspannung
4.5.3 Chaotisches Verhalten bei unterschiedlicher Elektrodenfläche
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit untersucht die nichtlinearen dielektrischen Eigenschaften von PZT(30/70)-Dünnschichtkondensatoren in Metall-Ferroelektrikum-Metall (MFM)-Strukturen. Das primäre Ziel ist die experimentelle Charakterisierung des Kapazitätsverhaltens, der Resonanzfrequenzverschiebung sowie des chaotischen Schwingungsverhaltens unter variierenden elektrischen Anregungsbedingungen.
- Ferroelektrische Eigenschaften und Schichtstruktur von PZT(30/70)
- Einfluss von Elektrodenflächen und Frequenzen auf die Kapazität
- Nichtlineare Schwingkreis-Phänomene und Duffing-Oszillatoren
- Untersuchung von chaotischem Verhalten durch Phasenraum-Analyse
- Experimentelle Messmethoden mittels Lock-In-Verstärkern und LCR-Brücken
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Ferroelektrizität
Kristalle ,die ohne angelegtes äußeres Feld eine spontane elektrische Polarisation Ps besitzen, deren Richtung durch ein elektrisches Feld geändert werden kann. Die Eigenschaft der Ferroelektrizität verschwindet oberhalb einer charakteristischen Temperatur TC, der Curie Temperatur. Diesen Übergang bezeichnet man als Phasenübergang. Im ferroelektrischen Zustand sind die Zentren positiver und negativer Ladung, d.h. beispielsweise die Anionen und die Kationen relativ zueinander verschoben.
Wenn das angelegte elektrische Feld variiert und gegen die Polarisation aufgetragen wird, erhält man eine Hysteresekurve (Abb. 2.1). Ihr entnimmt man in der skizzierten Weise die Werte der spontanen und der permanenten Polarisation Ps bzw. Pr und die Koerzitivfeldstärke EK. Die Sättigungspolarisation PSat ist bei Ionenverschiebung nicht unbedingt sinnvoll, da durch höhere E-Felder eine immer größere Verschiebung des Kristalls erzielt werden kann. Die Komponenten des dielektrischen Verschiebungsvektor D berechnen sich nach . (2.1) wobei ε0 die Dielektrizitätskonstante im Vakuum, χ der Suszeptibilitätstensor und ε der Dielektrizitätskonstanten des Materials ist. Die Polarisation Pi setzt sich zusammen aus der Polarisierbarkeit des Materials . (2.2)
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung motiviert die Erforschung von PZT-Dünnschichtkondensatoren für die Anwendung in ferroelektrischen Speichern (FeRAM) und beschreibt deren technologische Bedeutung.
2 Physikalische Grundlage: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Aspekte der Ferroelektrizität, des Ladungstransports, nichtlinearer Schwingkreise sowie der chaotischen Dynamik.
3 Herstellung der Probe und experimenteller Aufbau: Hier werden die CSD-Herstellungsverfahren der PZT-Schichten sowie das Design des Messplatzes und der verwendeten Messsoftware detailliert beschrieben.
4 Messungsergebnis und Diskussion: Die Messergebnisse zur Homogenität, Frequenz- und Spannungsabhängigkeit der Kapazität sowie zum chaotischen Verhalten werden vorgestellt und diskutiert.
5 Zusammenfassung: Das abschließende Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse zur Charakterisierung des PZT(30/70)-Materials und die Beobachtungen zum nichtlinearen Schwingungsverhalten zusammen.
Schlüsselwörter
PZT(30/70), Ferroelektrizität, Dünnschichtkondensator, Kapazität, Hysteresekurve, Nichtlinearität, Schwingkreis, Chaotisches Verhalten, Phasenraum, CSD-Verfahren, Elektrodenfläche, Resonanzfrequenz, Duffing-Gleichung, Schottky-Kontakt, MFM-Struktur
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der physikalischen und elektrischen Charakterisierung von Dünnschichtkondensatoren aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) im Hinblick auf ihre nichtlinearen Eigenschaften.
Was sind die zentralen Themenfelder der Forschung?
Die Arbeit behandelt die Materialherstellung, die Messung elektrischer Kennwerte unter verschiedenen Frequenz- und Spannungsbedingungen sowie die mathematische Modellierung nichtlinearer Schwingungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, das nichtlineare Verhalten der PZT-Dünnschichten bis hin zur Resonanzfrequenzverschiebung und dem Auftreten von Chaos zu verstehen und experimentell zu belegen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden experimentelle Messungen mit einem Messplatz durchgeführt, der mittels Lock-In-Verstärkern, LCR-Brücken und speziellen Steuerprogrammen unter LabView/CVI realisiert wurde.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Fundierung, die Beschreibung der Probenherstellung via Sol-Gel/CSD-Verfahren, den Aufbau der Messhardware und die detaillierte Auswertung der Messergebnisse.
Welche Begriffe beschreiben die Arbeit am besten?
PZT-Materialien, Ferroelektrizität, nichtlineare Oszillation, Chaostheorie und Kapazitätsmessung in Dünnschichten.
Warum ist das "Dead-layer"-Modell für die Kapazität relevant?
Das Modell beschreibt die zusätzliche Grenzschicht zwischen Elektrode und Ferroelektrikum, welche die elektrischen Eigenschaften maßgeblich beeinflusst und die gemessene Gesamtkapazität bestimmt.
Welche Rolle spielt die Duffing-Gleichung in diesem Zusammenhang?
Die Duffing-Gleichung dient als Modell zur mathematischen Beschreibung der nichtlinearen elektrischen Schwingungen, die im PZT-Kondensator beobachtet werden.
Was passiert bei sehr hohen Spannungen an den Proben?
Bei Überschreiten eines bestimmten Grenzpotentials (ca. 1,8V) kommt es zur Zerstörung der Elektrodenoberfläche, was in den Messkurven durch Diskontinuitäten oder den Abbruch der Messung sichtbar wird.
- Quote paper
- Duc Anh Le (Author), 2009, Charakterisierung der Kapazität bis zur Resonanzfrequenzverschiebung und chaotisches Verhalten des Dünnschichtenkondensators PZT(30/70), Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/196207
