Ferroelektrikum zum Verbiegen

Wenn es um flexible Elektronik geht, steht ein ferro­elektrisches Material besonders hoch im Kurs: Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Es liegt für gewöhnlich als Perowskit vor und weist alle gewünschten Eigen­schaften auf. Es zeigt hohe Pola­risation, kurze Umschalt­zeiten und hat eine hohe Curie-Tem­peratur. Dünne Filme davon auf flexiblen Substraten konnten bisher jedoch nur in poly­kristalliner Form herge­stellt werden, wodurch viele seiner Vorteile verloren gehen. Einer chi­nesischen-tai­wanesischen Forscher­gruppe ist es nun gelungen, PZT hetero­epitaxisch auf ein flexibles Glimmer-Substrat aufzu­bringen und so einen erstaunlich robusten ferro­elektrischen Film zu erzeugen.

Ferro­elektrische Materialien sind ein wesent­licher Bestand­teil moderner Elek­tronik. Ihre wichtigste Eigen­schaft, die spontane und umschalt­bare Pola­risation, findet vor allem in der Her­stellung nicht flüchtiger Speicher Anwendung. Aber auch die mit der Ferro­elektrizität einher­gehenden piezo­elektrischen Eigen­schaften werden zur Rea­lisierung von ver­schiedensten Sensoren und Aktua­toren eingesetzt. Ein­kristal­lines PZT mit herkömm­lichen flexiblen Substraten zu kombi­nieren, scheiterte bislang vor allem an deren Temperatur­empfindlich­keit. Das führt dazu, dass ferro­elektrische Speicher auf Basis von poly­kristallinem PZT unter ihren theore­tischen Möglich­keiten bleiben. Indem sie Glimmer als Substrat wählten, konnten die Forscher um Ying-Hao Chu von der tai­wanesischen National Chiao Tung Uni­versity diese Probleme nun umgehen.

„Üblicher­weise benutzen Forscher für die Hetero­epitaxie starre, ein­kristalline Substrate“, sagt Chu. „Indem wir die speziellen Eigen­schaften von Glimmer ausnutzten, konnten wir bessere ferro­magnetische Eigen­schaften und eine hohe Flexi­bilität erreichen.“ Neben seiner hohen Schmelz­temperatur von ungefähr 1000 Grad Celsius, die das Ausheilen von Defekten ermöglicht, bietet Glimmer noch eine ganze Reihe anderer Vorteile. Er ist chemisch inert, trans­parent, biegsam und vor allem ist er atomar glatt. Da das Material eine ge­schichtete Struktur hat, weist seine Oberfläche nach dem Spalten keine freien Bindungen auf und geht daher mit dem aufge­dampften Film keine kovalenten Bindungen ein. Statt­dessen sind die beiden Schichten ledig­lich über eine schwache van der Waals Wechsel­wirkung mit­einander verbunden. Somit spielen die Gitter­konstanten von Substrat und Film kaum eine Rolle und es bilden sich keine Ver­spannungen.

Der PZT-Film wurde bei einer Tempera­tur von 630 Grad Celsius mittels Laser­deposition aufgedampft. Davor haben die Forscher den frisch gespaltenen Glimmer mit einer weniger als zehn Nano­meter dicken Puffer­schicht aus einer Kobalt-Eisen-Sauer­stoff-Verbindung überzogen. Zwischen Puffer und Ferro­elektrikum befindet sich noch eine Perowskit-Elektrode für die elek­trische Charak­terisierung. Die Rauigkeit des fertigen Films betrug 0,62 Nanometer. Röntgen­beugungs­experimente zeigten lediglich Peaks von PZT, Glimmer und der Elektrode, was auf eine rein epi­taxische Natur des Films ohne Misch­phasen hinwies.

Um die Ferro­elektrizität der erzeugten Hetero­struktur zu charak­terisieren, nutzten die Chu und seine Kollegen eine spezielle Art der Atom­kraftmikro­skopie, die die piezo­elektrische Antwort des Materials misst. Dazu wird zwischen der elektrisch leitenden Spitze des Mikro­skops und der Probe eine Spannung angelegt und gleich­zeitig die mecha­nische Defor­mierung gemessen. Zunächst nutzten sie das Mikroskop jedoch, um eine bestimmte Pola­risation in der Oberfläche zu erzeugen. Mit einer Spannung von acht Volt schrieben sie so ein 3 × 3 Mikro­meter großes Quadrat mit nach oben gerich­teter Pola­risation, in das sie an­schließend mit minus acht Volt ein kleineres Quadrat mit gegen­sätzlicher Pola­risation einschrieben. Eine darauf folgende Messung zeigte einen klaren Kontrast zwischen den beiden Strukturen, was sowohl die ferro­elektrische Natur des Films als auch die Möglich­keit bestätigte, die Polari­sation umzu­drehen.

Diese für die Her­stellung nicht flüchtiger Speicher ent­scheidende Eigen­schaft blieb auch bei Tempera­turen von bis zu 175 Grad Celsius erhalten. Messungen der magne­tischen Remanenz zeigten darüber hinaus, dass auf diese Art ge­speicherte Infor­mation bei 100 Grad Celsius über einen Tag erhalten blieb. Das entspricht einer Speicher­dauer von zehn Jahren bei Raum­temperatur – den Forschern zufolge der beste bisher mit flexiblen Materia­lien erreichte Wert. Und auch was mechanische Belas­tungen angeht, ist das neue System äußerst widerstandsfähig: Weder Druck- noch Zug­belastung durch Biegen mit Krümmungs­radien bis zu 2,5 Millimeter hatten eine Verschlech­terung der ferro­magnetischen Eigen­schaften zur Folge und auch tausend­maliges Biegen mit 5 Millimetern führte zu keiner messbaren Verschlech­terung.

Neben einem Einsatz als Speicher­medium sehen die Wissen­schaftler auch aufgrund seiner piezo­elektrischen Eigen­schaften mögliche Anwen­dungen für ihren Film. So wurde etwa bereits gezeigt, dass flexible Piezo­folien in der Medizin genutzt werden können, um aus den ständigen Bewe­gungen von Organen wie Herz und Lunge Energie für Implan­tate zu gewinnen.

Thomas Brandstetter

JOL