Elektromechanische Eigenschaften und atomarer Transport in AlN-Volumenkristallen bei hohen Temperaturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Bickermann; Professor Dr.-Ing. Holger Fritze
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321603248

Einkristallines Aluminiumnitrid bietet neben dem Einsatz als Substrat für optoelektronische Bauelemente ein großes Potential als piezoelektrischer Sensor bei Temperaturen oberhalb von 800 °C mit völlig neuen Anwendungen wie resonante Druck- und Temperatursensoren in Turbinen oder Motoren. Die überwiegend kovalente Bindung der Atome in AlN führt zu einer hohen thermischen Stabilität und einer geringen Dämpfung piezoelektrischer Resonatoren. Die Nutzung dieser Vorteile erfordert jedoch qualitativ hochwertige Volumenkristalle, die gegenwärtig nur eingeschränkt zur Verfügung stehen.Im Rahmen der Vorarbeiten wurden bei Temperaturen bis zu 900 °C deutliche Resonanzen und damit das Auftreten von piezoelektrisch angeregten Volumenschwingungen nachgewiesen. Je nach Schwingungsmode und Orientierung treten jedoch Störungen auf. Wesentlich ist, dass AlN bereits in den Vorversuchen im Vergleich zu oxidischen piezoelektrischen Einkristallen herausragende Eigenschaften zeigt, was die Materialauswahl für dieses Projekt unterstützt.Das grundlegende Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der weiteren Verbesserung von AlN-Volumenkristallen, so dass große defektarme Bereiche entstehen. Den Ausgangspunkt bilden AlN-Kristalle des Institutes für Kristallzüchtung (IKZ), die nach Ansicht der Antragsteller bereits jetzt auf Grund ihrer minimalen strukturellen Defektdichte im internationalen Maßstab führend sind. Die Forschungsstrategie besteht darin, die dominierenden atomaren Transportprozesse bei Temperaturen bis 1300 °C zu ermitteln und mit den Züchtungsbedingungen sowie der Dämpfung zu korrelieren, so dass die Züchtung verbessert und Einsatzgrenzen abgeleitet werden können. Offene Fragen umfassen dabei den Einfluss und die Wechselwirkung von Punkt- und Strukturdefekten sowie die elektromechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Aus Anwendungssicht müssen der komplette Materialdatensatz der piezoelektrischen, dielektrischen und elastischen Konstanten sowie die Leitfähigkeit und die thermische Ausdehnung von AlN bei Temperaturen bis 1300 °C bestimmt werden. In einer fortgeschrittenen Phase des Vorhabens sollen Untersuchungen zur Degradation unter thermischer Dauerbelastung erfolgen. Dazu sind die Oxidation, die Kontaktdegradation und die elektromechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen zu untersuchen.Dem IKZ obliegt die Herstellung und anwendungsorientierte Optimierung der AlN-Volumenkristalle, deren Konfektionierung in maßgeschneiderte Proben sowie die chemische, optische und strukturelle Charakterisierung der Proben. An der Technischen Universität Clausthal sollen schwerpunktmäßig die Defektchemie, der atomare Transport, die elektromechanischen Eigenschaften sowie die Korrelation dieser Größen im Bereich von Raumtemperatur bis 1300 °C untersucht werden. Die sich ergänzenden Kompetenzen der Antragsteller bilden damit eine gute Grundlage zur Lösung der obigen Fragestellungen. Eine verstärkte Beachtung findet die Modellierung der Störstellenniveaus.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen