Niedertemperatur-Plasmaabscheidung von Perowskit-Dünnschichten auf Folien unedler Metalle und auf Polymerfolien
Final Report Abstract
Die Abscheidung von PZT-Dünnschichten in der für ferroelektrische, piezoelektrische und pyroelektrische Anwendungen vorteilhaften Perowskitstruktur erfordert hohe Substrattemperaturen bei der Schichtabscheidung, die 500°C übersteigen. Andererseits ist die Stabilität von Polymeren durch die Glasübergangstemperatur auf maximal 360°C (für Kapton® HN) beschränkt. Eine Reihe von technischen Anwendungen (taktile Sensoren, intelligente Fußböden, Ultraschallgeber mit gekrümmter piezoaktiver Schicht, Carotispuls-Prüfer verunfallter Personen, u.a.) erfordern aber piezoelektrische Dünnschichten auf flexiblen Polymerfilmen. In diesem Projekt wurden Materialien und Technologien getestet und bewertet, mit der die Abscheidung komplexer Oxide wie PZT auf metallisierten Polymerfolien mittels Niederdruck-Plasmaabscheidung bei niedrigen Temperaturen erfolgen kann. Das Niederdruckplasma ermöglicht hierbei einen nicht-thermischen Energieeintrag auf die Schichtoberfläche, der bei geschickter Wahl der technologischen Parameter das Substrat nur unwesentlich erwärmt. In Frage kommen die HF-Hohlkathoden- Plasmastrahlabscheidung oder das reaktive Multitarget-Magnetronsputtern. Beide Verfahren ermöglichen eine wesentliche Verringerung der Substrattemperatur während der Abscheidung, sodass z.B. kupferbeschichtete Polymerfolien als Substrat verwendet werden konnten. Multitarget-Magnetronsputtern hat den Vorteil, dass die Stöchiometrie der Schicht gezielt beeinflusst werden kann. Durch Verwendung einer Unipolar/Bipolar-Schalteinheit, die Hochstrompulse generiert, konnten die Schichteigenschaften verbessert werden. Durch zusätzliche Zufuhr von Sauerstoff und durch ein reaktiv gesputtertes, zusätzliches Bleitarget (bei der HF-Hohlkathoden-Plasmastrahlabscheidung) kann der Sauerstoff- und der Bleigehalt beeinflusst werden. Die abgeschiedenen Schichten beinhalten bei beiden Verfahren eine nanokristalline Mischung aus PZT sowie verschiedenen Titan-, Zirkonium- und Bleioxiden. Es konnte eine, wenn auch im Vergleich zu polykristallinen Materialien geringe, spontane Polarisation nachgewiesen werden, die bei Anlegen einer Spannung umkehrbar ist. Durch Kurzzeittempern von wenigen Sekunden bei 700°C kristallisierten die Schichten zu einer polykristallinen Perowskitstruktur. Dabei wurde jedoch das Polymersubstrat geschädigt. Im Rahmen des Projektes konnte gezeigt werden, dass sich perowskitische Dünnschichten auf bei geringen Temperaturen auf Polymerfolien abscheiden lassen. Dabei wurden die mittels Niedertemperaturabscheidung erreichbaren Schichteigenschaften charakterisiert und systematisiert.
Publications
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- Titania seed layers for PZT thin film growth on copper-coated Kapton films. Integrated Ferroelectrics 108 (2009) 57-66
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G. Suchaneck, R. Labitzke, B. Adolphi, L. Jastrabik, P. Adamek, J. Drahokoupil, Z. Hubicka, D.A. Kiselev, A.L. Kholkin, G. Gerlach, A. Dejneka
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. Kleiner, G. Suchaneck, B. Adolphi, A. Ponomareva, G. Gerlach
(See online at https://doi.org/10.1080/00150193.2012.676961)
