Perovskitne plasti za anti-feroelektrične dielektrike (PFANDL)
Oznaka in naziv projekta
N2-0418 Perovskitne plasti za anti-feroelektrične dielektrike (PFANDL)
N2-0418 Perovskite-Films for ANti-ferroelectric DieLectrics (PFANDL)
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Spreitzer Matjaž
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Sodelujoči primarni raziskovalci:
- Materials Center Leoben (Avstrija): Jürgen Spitaler, Maxim Popov in Daniel Scheiber.
- Institute of Physics/Czech Academy of Sciences (Češka republika): Marek Paściak, Pavel Marton, Elena Buixaderas in Jirka Hlinka.
- Jožef Stefan Institute (Slovenija): Matjaž Spreitzer in Nina Daneu.
- Montanuniversität Leoben (Avstrija): Markus Kratzer in Christian Teichert.
Vsebinski opis projekta
Širši raziskovalni kontekst:
Zaradi dvojnih histereznih zank imajo anti-feroelektrični (AFE) perovskiti potencialno veliko količino obnovljive energije zahvaljujoč nizkim izgubam.Za sestave brez vsebnosti svinca je do sedaj znanih le nekaj AFE materialov in le-ti zaenkrat izkazujejo precej majhno obnovljivo energijo zaradizmernih vrednosti maksimalne polarizacije in prebojnega električnega polja. Nadalje, znani materiali brez svinca večinsko izkazujejo AFE obnašanjele v obliki volumenske keramike, medtem ko doseganje AFE obnašanja v tankih plasteh ostaja izziv. Vendar so tanke plasti ključne za razvoj visoko-zmogljivega pristopa za načrtovanje AFE perovskitov z višjo gostoto energije in visoko prilagodljivostjo za miniaturizacijo.
Cilji in raziskovalna vprašanja:
Glavni cilj je razumeti podrobni vpliv strukturnih lastnosti na električno obnašanje tankih plasti perovskitov na osnovi niobija, brez vsebnosti svinca, znaslavljanjem naslednjih raziskovalnih vprašanj: - Kako v teh sistemih doseči izrazito AFE obnašanje s čim nižjo remanentno polarizacijo? - Kakšni so posamezni vplivi vpetosti, (epitaksialne) napetosti, debeline plasti in pogojev sinteze / mikrostrukture na funkcionalne lastnosti v tem kontekstu?
Metode:
V okviru projekta PFANDL bomo razvili teoretični komplet orodij in jih uporabili za preiskovanje in napovedovanje odnosov struktura-lastnosti zavolumenske in tankoplastne materiale. Komplet bo vključeval teorijo gostotnih funkcionalov, modeliranje faznega polja in molekularno dinamiko naosnovi efektivnega Hamiltonjana in lupinskega modela. Simulacije bodo tesno usklajene z najsodobnejšo sintezo materialov: z uporabo pulznega-laserskega nanašanja bomo pripravili serijo tankih plasti z različno kemijsko sestavo, debelino, napetostjo in stopnjo vpetosti. Za analizo vzorcev navseh ravneh od atomskega- do makro-nivoja ter za potrditev teoretičnih napovedi bomo uporabili najsodobnejše metode, vključno z mikroskopijo naatomsko silo s piezoelektričnim modulom, visoko-ločljivostno presevno elektronsko mikroskopijo, Ramanovo spektroskopijo in sinhrotronskimi meritvami.
Stopnja inovativnosti:
V okviru projekta PFANDL bomo dosegli sledeče inovativne rezultate: - Nov teoretični komplet orodij za napovedovanje funkcionalnih lastnosti tankih plasti perovskitnih dielektrikov brez vsebnosti svinca. - Podrobno razumevanje vpliva vpetosti, napetosti, debeline in mikrostrukture na dielektrične lastnosti teh sistemov. - Sintezo in celovito analizo serije novih perovskitnih tankih plasti brez svinca. - Smernice za razvoj antiferoelektričnih perovskitov brez svinca z največjo energijsko gostoto.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza
Razvoj teoretičnih metod:
Naloga 1: Razvoj efektivnega Hamiltoniana za AFE sisteme
Naloga 2: Molekularna dinamika modela lupin
Naloga 3: Modeliranje faznega polja - razvoj modela in testiranje v kodi FERODO
2. Faza
Uporaba razvitih teoretičnih metod:
Naloga 1: Karakterizacija lastnosti materialov - karakterizacija različnih faz NN in ANT z DFT. Analiza rezultatov meritev XRD, Raman in IR. Izbor najprimernejše faze za modeliranje sintetiziranih plasti. Določevanje strukturnih in električnih lastnosti kot funkcije temperature. Določevanje električnih lastnosti preko modeliranja z molekularno dinamiko modela lupin in modeliranjem faznega polja.
Naloga 2: Preučevanje vpliva točkovnih napak na strukturne in funkcionalne lastnosti plasti NN in ANT
Naloga 3: Preučevanje vpliva debeline, napetosti in vpetosti plasti
Naloga 4: Preučevanje vpliva mikrostrukture na funkcionalne lastnosti plasti
3. Faza
Naloga 1: Priprava vzorcev
* Sinteza v trdnem za pripravo keramičnih referenc in tarč za PLD
* Sinteza tankih plasti (vključni s spodnjimi elektrodami) s PLD:
a) Vpete epitaksialne plasti z različnimi napetostmi
b) Sinteza tankih plasti preko grafena (van der Waals vezi)
c) Sinteza referenčnih polikristaliničnih plasti
Za vse sisteme bodo sintetizirane tudi dopirane plasti.
Naloga 2: Strukturna karakterizacija plasti
* Analiza kristalne strukture (prisotnost FE in AFE faz)
* Analiza stanja napetosti v plasteh
Naloga 3: Mikro- in nanostruktura plasti
* Analiza faz, velikosti zrn in teksture plasti.
* Preučevanje nanostrukture
Naloga 4: Funkcionalna karakterizacija Preučevanje makroskopskih električnih lastnosti plasti. Vpogled v delovanje materiala in v mehanizme od nano- do makroskopskeha nivoja.