Universität zu Köln

Dai, Yang (2017). Tailoring the Electronic Properties of Epitaxial Oxide Films via Strain for SAW and Neuromorphic Applications. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In dieser Arbeit wird der Einfluss von biaxialer Verspannung auf die elektronischen Eigenschaften epitaktisch gewachsener Oxydschichten am Beispiel von zwei Perowskitsystemen, (BaxSr1-x)TiO3 und (KxNa1-x)NbO3, analysiert und diskutiert. Wir zeigen, dass die Phasenübergangstemperatur der oxydischen Schichten mittels der oberflächenorientierten biaxialen Spannung eingestellt werden kann. Kompessive Verspannung führt hierbei zu einer Reduktion der Übergang-stemperatur, während Zugspannung zu einer Erhöhung der Übergangstemperatur führt. Mit der Veränderung der Übergangstemperaturen lassen sich dann die elektronischen Eigenschaften (u.a. Dielektrizität, Piezoelektrizität und sogar Leitfähigkeit) der Schichten gezielt modifizieren. Mögliche Anwendungen dieses ‚Engineerings‘ der elektronischen Schichteigenschaften werden in der Arbeit demonstriert. Verspannungen von bis zu ±1.7% werden in den Perowskitschichten mit Hilfe der Gitterfehl-anpassung zwischen dem Film und dem Substrat generiert. (BaxSr1-x)TiO3 (x = 0, 0.125, 0.37, 1) und K0.7Na0.3NbO3 Schichten mit einer Dicke von 5 nm bis 200 nm werden hierzu auf unter-schiedlichen Scandaten ((110) orientiertes DyScO3, TbScO3, GdScO3, and SmScO3) mittels Laserdeposition bzw. metallorganischer chemischer Dampfphasendeposition epitaktisch abgeschieden. Für die Charakterisierung werden metallische Elektroden (Pt oder Ti/Pt) auf der Schichte mittels Elektrodenstrahllithographie und Lift-off-Technologie angebracht. Die strukturellen Eigenschaften der verspannten Schichten werden dann eingehend mittels Röntgen-diffraktometrie, Rutherford-Rückstreuung, time-of-flight Sekundärionenmassenspektroskopie und Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Kryoelektronische Messungen im Temperatur-bereich von 5 bis 500K zeigen dann die elektronischen Eigenschaften der Schichten. Die Hauptresultate dieser Arbeit sind: (i) Sowohl kompressive Spannung als auch Zugspannung führt zu einer spannungs- und materialabhängigen Verschiebung der Übergangstemperatur von bis zu einigen 100 K. So bewirken z.B. 1.2 % Zugspannung eine Erhöhung der Übergangstemperatur von ~300 K in SrTiO3, während schon -0.6 % kompressive Spannung eine Reduktion der Übergangstemperatur von ~300 K in K0.7Na0.3NbO3 bewirken. (ii) Die dielektrische Konstante kann durch die Modifizierung der Übergangstemperature gezielt verändert werden. So kann sie z.B. für SrTiO3 bei Raumtemperatur von ca. 300 (unverspanntes SrTiO3) auf ca. 8000 erhöht werden, indem die Übergangstemperatur auf Raumtemperatur angehoben wird. (iii) Die piezoelektrischen Eigenschaften der Oxydschichten lassen sich ebenfalls mittels Verspannung verändern. Dies zeigt sich z.B. an Oberflächenwellen, die in verspannten extrem dünnen (z.B. 27 nm) K0.7Na0.3NbO3 Filmen beobachtet werden. Die Signalstärke der Oberflächenwellen korreliert ebenfalls mit der Übergangstemperatur und kann potentiell für extrem empfindliche Sensorsysteme verwandt werden. II (iv) Schließlich wird auch die Leitfähigkeit von verspannten SrTiO3 Schichten durch die Erhöhung der Mobilität der Elektronen und auch Sauerstofffehlstellen stark erhöht. Unter Verwendung geeigneter Elektrodendesigns, die das elektrische Feld und dadurch die Temperaturverteilung in der Oxydschichte beeinflussen, kann hiermit ein Memristorverhalten und sogar eine Plastizität des Widerstandsverhaltens eingestellt werden. Beides kann z.B. für Anwendungen von der Simulation biologischer Synapsen bis hin zu neuromorphem ‘Engineering’ eingesetzt werden.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Dai, Yang daiyang23@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-79272
Date:	7 December 2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language oxide film English strain English electronic properties English
Date of oral exam:	9 November 2017
Referee:	Name Academic Title Wördenweber, Roger Prof. Dr. Grüninger, Markus Prof. Dr. Schwarzkopf, Jutta Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7927