(MOCVD) oxidischer Dönnschich ten aus dem Materialsystem Barium

14 2 Grundlagen
Filme herangezogen. Epitaktische Schichten unterliegen in ihren Eigenschaften
wachstumsspezifischen Einflussgrößen (z. B. Gitterfehlanpassung) und werden hier
nicht weiter betrachtet.
Dünnschichten auf der Basis von BaTiO3 unterscheiden sich in drei wesentlichen
Aspekten von (grobkörnigen) Bulk-Keramiken. Das Ausbleiben einer spontanen
Polarisation wird auf Korngrößeneffekte (grain size effects) zurückgeführt. Diese
Besonderheiten gelten sowohl für feinkörnige Keramiken als auch für Dünnschichten.
Eine weiteres korngrößenabhängiges Phänomen, das möglicherweise die Ursache für
die Unterdrückung des Phasenübergangs ist, fanden Arlt et al. heraus. Durch die
Vergrößerung der Zellvolumina bauen sich in der gesamten Probe beim Abkühlen
mechanische Spannungen auf, die durch Bildung von Domänenwänden kompensiert
werden können [57]; in BTO-Proben mit einem mittleren Korndurchmesser kleiner als
400 nm treten keine Domänenwände mehr auf [58]. Somit können mechanische
Spannungen energetisch nicht mehr kompensiert werden. Spezifisch für substratbasierte
Stacks sind Substrat- und Interfaceeffekte als beeinflussende Faktoren. Beim
Aufwachsen werden im Abkühlprozess aufgrund unterschiedlicher thermischer
Ausdehnungskoeffizienten des Perovskitfilms im Vergleich zum Siliziumsubstrat
Zugspannungen im Film induziert 3 . Diese Kristalldehnungen/-stauchungen führen zu
Gitterverzerrungen, die sowohl für ein geändertes dielektrisches Verhalten
(Polarisationsverarmung, da die Dipole parallel in die Schichtebene gezwungen werden)
als auch für die Modifikation bzw. Unterdrückung symmetrisch-asymmetrischer
Phasenübergänge verantwortlich sind [59] [60]. Interfaceeffekte sind die Beeinflussung
der elektrodennahen Randschicht im Hinblick auf eine signifikante Abnahme der
Permittivität. Man bezeichnet diese Region daher auch als ‚dead layer’ [61]-[63].
Generell ist auch die Filmdicke verantwortlich für Veränderungen der Permittivität:
Eine Abnahme der Schichtdicke führt in ferroelektrischen Dünnschichten wie STO oder
BST generell zu kleineren �-Werten [64]. In Dünnschichten gilt weiterhin das Curie-
Weiss-Gesetz in folgender Form [30]:
C
�r(T) � �1
(T � T 0 )
Jedoch führen Spannungs- und Interfaceeffekte zu geänderten charakteristischen
Parametern und damit zu einer Abweichung vom Curie-Weiss-Gesetz. Grundsätzlich
werden dafür die erläuterten Zugspannungen wie auch eine Interface-Randschicht mit
geringer Polarisierbarkeit verantwortlich gemacht. Streiffer et al. konnten an mit
MOCVD hergestellten BST-Dünnschichten zeigen, dass das für Bulkkeramiken und
Einkristalle übliche Curie-Weiss-Verhalten (siehe Gl. (2.6)) Anomalien um 300 K zeigt,
3 Thermischer Ausdehnungskoeffizient BTO (und STO): �BTO (T = 1000 K) � 12 – 14 * 10 -6 K -1 ;
thermischer Ausdehnungskoeffizient Si: �Si (T = 1000 K) � 4,4 * 10 -6 K -1 [31]
(2.6)