Lead-free Relaxor Ferroelectric Thin Films: Design, Processing, and Characterization for Advanced Energy Storage Capacitor Applications

Die Nachfrage nach Kondensatoren mit hoher Energie- und Leistungsdichte nimmt in fortgeschrittenen Technologien stetig zu. Um dieser Nachfrage Gerecht zu werden und gleichzeitig Umweltauflagen zu erfüllen, ist die Entwicklung bleifreier dielektrischer Dünnschichtkondensatoren mit hoher Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung.
Diese Dissertation untersucht die Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Prozessierung, und Eigenschaften in auf Bi0.5Na0.5TiO3 basierenden Perowskit-Dünnschichtkondensatoren, die mit BaTiO3, NaNbO3 und BiMg2/3Nb1/3O3 subsituiert wurden. Besonderes Augenmerk liegt auf der Modifikation der Zusammensetzung als Strategie zur Anpassung der strukturellen und funktionalen Eigenschaften sowie auf der Optimierung der Prozessparameter, um die Energiedichteleistung zu maximieren. Es wurde eine reproduzierbare Methode zur Herstellung metallorganischer Lösungen etabliert, die die Fertigung von Dünnschichtkondensatoren auf platinisierten Siliziumsubstraten ermöglicht.
Darüber hinaus wurde der Einfluss der Verarbeitungsparameter – insbesondere der Heizrate und der Kristallisationstemperatur – systematisch optimiert, um das Kornwachstum, die Textur und die Nukleation der Dünnschichten zu steuern.
Die Dünnschichten wurden strukturell und mikrostrukturell mittels Röntgendiffraktometrie, Ramanspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert. Die elektrische Charakterisierung erfolgte durch Polarisation-Elektrisches-Feld-(P-E)-Hystereseschleifen, dielektrische Spektroskopie, Durchschlagsfestigkeitsmessungen sowie Zuverlässigkeitstests unter zyklischen und temperaturabhängigen Bedingungen.
Bit BaTiO3 subsituierte Bi0.5Na0.5TiO3-Dünnschichten zeigten schmale Hystereseschleifen und eine verbesserte Energiespeicherleistung in der Nähe der morphotropen Phasengrenze (6 mol% BT). Eine weitere Substitution mit Zr verstärke das relaxorartige Verhalten, was zu noch schmaleren Hystereseschleifen, höherer Durchschlagsfestigkeit und rückgewinnbaren Energiedichten von bis zu 29 J cm-3 führte. Die Substitution mit NaNbO3 verbesserte die Ermüdungs- und Temperaturstabilität bei gleichzeitig guter Energiespeicherleistung. Die Substitution mit BiMg2/3Nb1/3O3 verstärkte den Relaxorcharakter weiter, indem sie die langreichweitige ferroelektrische Ordnung unterdrückte, was zu ultrahohen Energiespeichereigenschaften führte. Nach der Optimierung der Prozessparameter erreichten die Dünnschichten rückgewinnbare Energiedichten von bis zu 61 J cm-3 bei Wirkungsgraden von über 70 % und einer Durchschlagsfeldstärke von mehr als 2,7 MV cm 1, wobei eine elektrische Stabilität bis 180°C und eine Lebensdauer von über 105 Zyklen nachgewiesen wurde.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die systematische Anpassung der Zusammensetzung und die präzise Kontrolle der Verarbeitungsparameter – in effektiver Abstimmung miteinander – die Realisierung von bleifreien dielektrischen Dünnschichtkondensatoren mit ultrahoher Leistungsfähigkeit für fortgeschrittene Energiespeicheranwendungen ermöglichen.