Surface Potential and Temperature Analysis of Ferroelectric Materials via Advanced AFM Techniques

Mit abnehmenden Strukturgrößen sind die Effekte von Abschirmungsladungen an der Oberfläche auf die Eigenschaften von Ferroelektrika nicht mehr vernachlässigbar. Elektrische Felder an der Oberfläche und Umkehrungen der Polarisation sind dabei stark mit dem Einfluss der Ladungsabschirmung auf ferroelektrischen Domänen gekoppelt. Im Gegensatz zu klassischen Anwendungen wie Aktuatoren, die sich vollständig durch die ferroelektrischen Volumeneigenschaften beschreiben lassen, erfordern Bauelementkonzepte, die auf dem elektrischen Feld über den ferroelektrischen Domänen beruhen, ein Verständnis und eine Kontrolle der Abschirmmechanismen.
In dieser Arbeit wurden die elektrischen Oberflächeneigenschaften von Lithiumniobat und Bariumtitanat unter Umgebungsbedingungen mithilfe fortgeschrittener Rasterkraftmikroskopie-Techniken untersucht. Der Schwerpunkt lag auf der Kontrolle der Ladungsabschirmung durch adsorbierte Spezies. Die Entfernung dieser adsorbierten Abschirmungsladungen wurde entweder durch Desorption bei erhöhter Proebentemperatur oder durch direktes Abtragen der Ladungen mit der in Kontaktmodus betriebenen AFM-Spitze realisiert – eine Methode, die häufig als „Charge Gradient Microscopy“ (CGM) bezeichnet wird.
Es zeigte sich, dass die Oberflächen oftmals so stark geladen sind, dass Methoden wie die Raster-Kelvin-Mikroskopie versagen, da die Spannungsgrenzen des Systems überschritten werden. Um die starke Aufladung zu kompensieren, wurde das kommerzielle AFM-System durch externe Spannungsverstärker erweitert, um einen größeren Spannungsbereich zu ermöglichen.
Sowohl eine Temperaturerhöhung als auch CGM-Messungen führen zu ähnlichen Trends im Oberflächenpotenzial. Typischerweise wird dabei eine Verschiebung von positiven zu negativen Werten beobachtet. Das bedeutet, dass das positive Oberflächenpotenzial (bei Raumtemperatur, ohne vorherige CGM-Behandlung) bei Messungen bei 100°C sowie unmittelbar nach der CGM-Behandlung in negative Werte umschlägt. Die Potenzialwerte und insbesondere der Unterschied zwischen „up“- und „down“-Domänen sind jedoch nach der CGM-Behandlung am größten und erreichen Potenzialdifferenzen von etwa 7 V. Die Abschirmungseffekte und möglichen Mechanismen werden im Detail diskutiert und es wird versucht, die Oberflächenladungsdichten mithilfe vereinfachter elektrostatischer Modelle zu quantifizieren.
Dabei ergeben sich effektive Flächenladungsdichten von ca. 10^(-4)-10^(-3) C/m^2.