Načrtovanje tankih plasti relaksorskih feroelektrikov za piezoelektrične aplikacije in shranjevanje energije
Oznaka in naziv projekta
J2-2510 Načrtovanje tankih plasti relaksorskih feroelektrikov za piezoelektrične aplikacije in shranjevanje energije
J2-2510 Engineering of relaxor ferroelectric thin films for piezoelectric and energy storage applications
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: doc. dr. Matjaž Spreitzer
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Za razvoj sodobnih praktične aplikacij na osnovi relaksorsko-feroelektričnih materialov je ključnega pomena razumevanje narave njihovih domenskih struktur na nano nivoju ter njihovega razvoja pod vplivom zunanjih dražljajev, kot so napetosti zaradi neujemanja s podlago, električno polje in temperatura. Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x%PbTiO3 (PMN-xPT) je eden izmed prototipnih oksidnih relaksorskih feroelektrikov, ki izkazuje izjemne dielektrične in elektromehanske lastnosti, predvsem v okolici morfotropne fazne meje (MPB) v volumskih materialih. V tem projektu nameravamo razjasniti in razumeti prispevek napetosti zaradi neujemanja s podlago ter prispevek domenskih struktur na feroelektrične susceptibilnosti v tankih plasteh PMN-xPT s sestavami blizu MPB, z namenom razvoja visokozmogljivih nano-materialov za mikro-elektro-mehanske sisteme (MEMS) in naprave za shranjevanje energije. Tehnika pulznega laserskega nanašanja bo uporabljena za sintezo visokokakovostnih tankih plasti PMN-xPT in za načrtovanje stanja napetosti in koncentracije napak v tankih plasteh preko uporabe substratov z različnimi velikostmi osnovnih celic ter bogatim portfeljem sinteznih parametrov. Uporabili bomo številne in situ in ex situ analizne tehnike za nadzorovanje in preučevanje stanja napetosti in domenske strukture v povezavi s funkcionalnimi lastnostmi tankih plasti. Pričakujemo, da bodo naše ugotovitve vodile do preboja v proizvodnji shranjevalnikov energije in naprav MEMS z zmogljivostmi, ki presegajo najsodobnejše naprave.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza
V prvi fazi se bomo lotili sinteze tarč za pulzno lasersko nanašanje (PLD) materiala PMN-xPT. Zaradi visoke hlapnosti Pb bomo pripravili tudi tarče, ki vsebujejo prebitek PbO. Prav tako bomo pripravili tarče, ki vsebujejo še prebitek MgO, saj so naši preliminarni rezultati pokazali, da v tankih plasteh pogosto primanjkuje tudi Mg. S sistemom PLD bomo sintetizirali tanke (50-1000 nm) plasti PMN-xPT. Tehnika PLD nam omogoča visoko stopnjo prilagodljivosti, saj lahko spreminjamo parametre nanosa, uporabimo različne substrate in elektrode. Na tak način bomo lahko pripravili visokokakovostne plasti z želeno napetostjo medfaznimi plastmi in načrtovano razporeditvijo domen. Na domensko strukturo bomo vplivali tudi s sestavo tarč (različni deleži PT faze okoli morfotropne fazne meje, kjer material izkazuje zanimive električne lastnosti). Sestavo tankih plasti bomo določili z visoko natančnostjo z uporabo valovno disperzijske rentgenske spektroskopije in masne spektrometrije z induktivno sklopljeno plazmo z lasersko ablacijo.
2. Faza
V naslednji fazi bomo podrobneje analizirali kristalno in kemijsko strukturo plasti ter lokalne variacije. Glede na dobljene rezultate bomo načrtovali epitaksialne multiplasti ali superstrukture. S spreminjanjem parametrov kot so število in debelina posameznih plasti ter njihova kemijska sestava, bomo lahko uravnavali fizikalne lastnosti celotne heterostrukture. Raziskali bomo tudi različne pristope za integracijo plasti/heterostruktur s silicijem (preko Sr ali reduciranega grafen oksida). S ciljem razumevanja povezav med strukturnimi in funkcionalnimi lastnosti bomo vzorce analizirali z različnimi sodobnimi tehnikami karakterizacije. Združili bomo tehnike občutljive na napetosti v strukturi, defekte, elektronska stanja, kemijsko urejanje s tehnikami lokalno-električnega- in napetostnega-kartiranja.
3. Faza
Rezultate, pridobljene v 2. fazi, bomo povezali z makroskopskimi meritvami dielektričnih, feroelektičnih in piezoelektričnih lastnosti. Specifične sestave tankih plasti PMN-xPT z najboljšimi funkcionalnimi lastnostmi bomo procesirali in integrirali v prototipne naprave ter jih validirali – z mednarodnim sodelovanjem s strokovnjaki s specifičnega področja bomo validirali naprave za shranjevanje energije ter transducerje za mikroelektromehanske sisteme.
Bibliografske reference
TRSTENJAK, Urška, DANEU, Nina, RAFALOVSKYI, Legor, BELHADI, Jamal, VENGUST, Damjan, HLINKA, Jiři, SPREITZER, Matjaž. Polarization in pseudocubic epitaxial relaxed PMN-PT thin films. Applied physics letters. [Print ed.]. 2021, vol. 120, no. 4, str. 042901-1- 042901-7. ISSN 0003-6951. DOI: 10.1063/5.0067531. [COBISS.SI-ID 95331587]
SPREITZER, Matjaž, KLEMENT, Dejan, PARKELJ POTOČNIK, Tjaša, TRSTENJAK, Urška, JOVANOVIĆ, Zoran M., KOSTER, Gertjan, et al. Epitaxial ferroelectric oxides on siliconwith perspectives for future device applications. APL materials. 2021, vol. 9, no. 4, str. 040701-1- 040701-14. ISSN 2166-532X. DOI: 10.1063/5.0039161. [COBISS.SI-ID 58105091]