Ferroelektrische Schichten für magnetoelektrische Komposite

Piorra, André

Magnetoelektrische Komposite stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, äußerst sensitiv kleinste magnetische Signale wie biomagnetische Signale zu detektieren. Ein magnetoelektrischer Komposit besteht aus einer magnetostriktiven und einer piezoelektrischen Phase. Letztere kann hierbei ein klassisches piezoelektrisches Material wie Aluminiumnitrid oder Zinkoxid oder ein ferroelektrisches Material sein. Im Falle der Gruppe der Ferroelektrika ist das Material der Wahl Bleizirkonattitanat. Aufgrund von gesetzlichen Vorgaben der Europäischen Union und anderen Ländern, welche zum Ziel haben, langfristig bleihaltige Verbindungen zu ersetzen, besteht die Notwendigkeit, Bleizirkonattitanat durch gleichwertige bleifreie Alternativen zu ersetzen. Aus diesem Grund beschäftigt sich der erste Teil der Arbeit mit der Herstellung und Charakterisierung von ferroelektrischen Schichten auf der Basis von mit Kalzium und Zirkonium substituiertem Bariumtitanat (Ba0,85Ca0,15(Ti0,9Zr0,1)O3) durch gepulste Laserabscheidung. Die Untersuchungen zeigten, dass diese Schichten piezoelektrische Eigenschaften besitzen, die vergleichbar sind mit Schichten aus Bleizirkonattitanat. Weiterhin zeigten die Untersuchungen einen Wechsel von einem ferroelektrischen Verhalten im Falle der gesinterten Volumenproben hin zu einem Relaxorverhalten im Falle der dünnen Schichten aus Ba0,85Ca0,15(Ti0,9Zr0,1)O3. Bei Temperaturen unterhalb von 87 °C zeigen die Schichten die Charakteristik eines ergodischen Relaxors, der bei 30 °C in einen nichtergodischen oder ferroelektrischen Zustand wechselt. So wird es möglich, dieses Material bei Raumtemperatur als Sensormaterial zu nutzen. Im weiteren wird die Eignung des Materials als piezoelektrische Phase in einem magnetoelektrischen Komposit diskutiert. Als magnetostriktive Phase wurde die amorphe Legierung (Fe90Co10)78Si12B10 genutzt. Im zweiten Teil der Arbeit sollen magnetoelektrische Dünnschichtkomposite untersucht werden, die durch Interdigitalelektroden ausgelesen werden. Hintergrund ist die Erhöhung der magnetoelektrischen Spannung mit dem Elektrodenabstand. Hierfür dient Bleizirkonattitanat als piezoelektrische Phase. Die Herstellung der Schichten erfolgte durch die Abscheidung aus einer chemischen Lösung. Auch bei diesen Untersuchungen dienten Schichten aus (Fe90Co10)78Si12B10 als magnetostriktive Phase. Eine Hauptfragestellung der Arbeit war hierbei der Einfluss des Elektrodendesigns auf die magnetoelektrischen Eigenschaften und die erreichbaren Detektionslimits der Komposite. Üblicherweise werden die Elektroden der piezoelektrischen Schichten als Plattenkondensatoren ausgeführt. Alternativ hierzu können die generierten Spannungen am Piezoelektrikum auch durch Interdigitalelektroden abgegriffen werden. Um eine Nutzung der Interdigitalelektroden zu ermöglichen, musste die üblicherweise genutzte Schichtabfolge, für die eine gemeinsame Grenzfläche der magnetostriktiven und piezoelektrischen Phase charakteristisch ist, geändert werden. Zu diesem Zweck wurde ein Kompositdesign entwickelt, welches durch ein die Phasen trennendes und isolierendes Substrat gekennzeichnet ist. Durch den Einsatz der Interdigitalelektroden konnten die generierten magnetoelektrischen Spannungen gegenüber Kompositen mit Plattenkondensatorelektroden deutlich erhöht werden. Ebenso zeigten solche Komposite ein vielversprechendes Detektionslimit im Bereich von 1pT/Hz1/2. Allerdings konnte die Erhöhung der generierten magnetoelektrischen Spannung durch den Einsatz der Interdigitalelektroden nicht in eine Verringerung des Detektionslimits im gleichen Verhältnis umgesetzt werden, da den höheren erzielten Spannungen von Kompositen mit Interdigitalelektroden auch ein höheres Rauschniveau gegenüber Kompositen im Platenkondensatordesign gegenübersteht.

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Piorra, André: Ferroelektrische Schichten für magnetoelektrische Komposite. 2014.

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