Ferroelektrisches Zirkonoxid für piezo- und pyroelektrische Bauelemente

Das DFG-Projekt findet in Zusammenarbeit mit dem Namlab (TU Dresden) sowie der RWTH Aachen statt. Es geht darum den großen piezoelektrischen Effekt in ZrO2 und HfO2, welcher bisher nur in Schichten von wenigen 100 nm realisiert werden konnte, auf Dicken von 1000-2000nm zu übertragen.

Beim piezoelektrischen Effekt führt mechanische Spannung zu einem elektrischen Feld, oder umgekehrt ein elektrisches Feld zu einer mechanischen Dehnung. Diese Wandler-Eigenschaft ist von enormer Bedeutung in den Ingenieurwissenschaften. Anwendungen finden sich in Aktoren, Motoren, Oszillatoren aber auch in Sensoren und Energie-Harvesting. Eine Anwendung für die breite Öffentlichkeit sind Frequenzfilter in der Mobilkommunikation, die auf Dünnschicht-Piezoelektrika beruhen. Die bekanntesten piezoelektrischen Materialien sind Blei-Zirkon-Titanat (PZT) für Aktoren sowie Aluminium-Nitrid (AlN) für Dünnschicht-Schallwellenresonatoren. Aufgrund von Umweltstandards wird seit Jahren an bleifreien Materialien gearbeitet. Gleichzeitig sind dabei die Anforderungen an den Piezokoeffizienten gestiegen, insbesondere in der mikroelektronischen Anwendung als Frequenzfilter. Die ferroelektrischen Eigenschaften von Zirkon- und Hafniumoxid wurden vor etwa 10 Jahren entdeckt. Die piezoelektrischen Eigenschaften sind dabei so groß, dass Hoffnung besteht, dieses Material für bleifreie Frequenzfilter einzusetzen. Die pyroelektrischen Eigenschaften sind ein weiteres Thema.