Lead-free Dielectric Thin Films for Energy Storage: Process-Structure-Property Relationships

Die steigende Nachfrage nach Hochenergiedichte-Kondensatoren für mikroelektronische und energiebezogene Anwendungen treibt die Entwicklung bleifreier dielektrischer Dünnschichten mit hoher Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit voran. Diese Dissertation untersucht die Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Prozessierung und daraus resultierenden Eigenschaften in Dünnschichten mit Perowskit-Struktur, die mittels Chemical Solution Deposition auf Basis der Systeme NaNbO3, BaTiO3, Bi(Mg2/3Nb1/3)O3 und AgNbO3 hergestellt wurden. Der Schwerpunkt liegt auf der gezielten chemischen Modifikation zur Steuerung von Phasenstabilität, Mikrostruktur sowie dielektrischem und ferroelektrischem Verhalten und auf der Prozessoptimierung zur Maximierung der funktionalen Leistung. Ein hybrider Precursor-Ansatz wurde etabliert, um stabile metallorganische Lösungen zu erzeugen, die die reproduzierbare Herstellung von Mehrschicht-Filmen auf platinisierten Siliziumsubstraten ermöglichten. Wichtige Prozessparameter, darunter Heizrate und Kristallisationstemperatur, wurden systematisch variiert, um Keimbildung, Kornwachstum und Textur zu kontrollieren. Die strukturelle Charakterisierung erfolgte mittels Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall und Raman-Spektroskopie, während die Mikrostruktur mit Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie untersucht wurde. Die elektrischen Eigenschaften wurden durch dielektrische Spektroskopie, P-E (Polarisationelektrisches Feld) Hystereseschleifen, Durchbruchfestigkeitstests und Ermüdungsmessungen bewertet. BaTiO3-modifizierte NaNbO3 Filme zeigten bei niedrigen Substitutionsgraden schlanke Hystereseschleifen und eine verbesserte Energieeffizienz, wobei jedoch eine hohe Durchbruchfestigkeit eine Herausforderung blieb. Die Substitution mit Bi(Mg2/3Nb1/3)O3 führte zu relaxor- bzw. (super-)paraelektrischem Verhalten, unterdrückte langreichweitige Ordnung und ermöglichte herausragende Ergebnisse, wobei optimierte Filme speicherbare Energiedichten von bis zu 37 J cm-3 bei 80% Effizienz und Durchbruchfestigkeiten über 2.2 MV cm-1 erreichten, stabil bis 300°C und über 10^8 Zyklen. AN-basierte Filme wurden mit optimierter Silberstöchiometrie und verbesserter Phasenreinheit synthetisiert; eine Ta-Substitution erhöhte die thermische Stabilität, jedoch begrenzten hohe Leckströme die nutzbaren elektrischen Felder. Die Ergebnisse zeigen, dass die synergistische Abstimmung von Zusammensetzung und Prozessführung substanzielle Verbesserungen der Energiespeicherleistung bleifreier dielektrischer Dünnschichten ermöglicht. Die Resultate liefern Designrichtlinien für die Integration dieser Materialien in Hochleistungskondensatoren der nächsten Generation.