Verstärkerstabilität ermöglicht in-situ-Untersuchungen der Polarisation eines ferroelektrischen Films

In ihren Worten

„Die thermische Stabilität des Verstärkers ist entscheidend. Unsere Kammer läuft intern mit bis zu 950 °C und heizt das Labor bei langen Experimenten deutlich auf. Die Leistung, die Strahlform und die Ausrichtung von Astrella bleiben von diesen Umgebungsänderungen unbeeinflusst.“

—Dr. Morgan Trassin, ETH Zürich, Zürich, Schweiz

Die Herausforderung

Dünne Filme aus ferroelektrischen Materialien sind für die Elektronikindustrie von zunehmendem Interesse. Sie werden bereits häufig in Dünnschichtkondensatoren sowie zur Bildung von Speicherbits in einigen Arten von RAM- und RFID-Karten verwendet. Die Fähigkeit, Filme zu erzeugen und zu manipulieren, die nur wenige Einheitszellen dünn sind – d.h. Atom für Atom – würde den meisten dieser Anwendungen zugute kommen. Um diese Fortschritte zu ermöglichen, benötigen Forscher Methoden, um die wichtigsten Eigenschaften der Dünnschichten während dieses Erzeugungsprozesses zu überwachen.

Erfolgreiche Forschung

Eine Forschergruppe der ETH Zürich um Dr. Morgan Trassin und Prof. Manfred Fiebig hat ein nicht-invasives optisches Verfahren entwickelt, das von einer ultraschnellen Verstärker/abstimmbaren OPA-Kombination (Coherent Astrella/TOPAS) angetrieben wird. Ziel ist die Messung der wichtigsten Polarisationseigenschaften in ferroelektrischen (BaTiO3) und multiferroischen (BiFeO3) ultradünnen Modellfilmen, sowohl während des eigentlichen Abscheidungsprozesses als auch nach der Überlagerung mit einem anderen Material. Die Filme werden durch Ablagerung mit einem gepulsten Excimer-Laser – Coherent LPX – erzeugt. Das Verfahren überwacht die Filmpolarisation durch Messung der kleinen zweiten Harmonischen (SHG) aufgrund der Symmetrieeigenschaften von Dünnfilmen mit einer Dicke von wenigen Elementarzellen (uc). Dieses Konzept wurde in der Literatur diskutiert, aber bisher noch nie auf solch ultradünne Filme angewendet.

Das Ergebnis

Diese Forscher verwendeten diese Technik erfolgreich, um sowohl den Grad als auch die Richtung der Polarisation in Filmen von null bis 20 Elementarzellen (uc) zu bestimmen. Seitdem wenden sie diese Methode an, um geschichtete Materialien zu untersuchen und sogar Geräte zu modellieren. Weitere Details sind veröffentlicht in: G. De Luca, N. Strkalj, S. Manz, C. Bouillet, M. Fiebig & M. Trassin, „Nanoscale design of polarization in ultrathin ferroelectric heterostructures“ Nature Communications, 8, S. 1419.

Bereit, eine Erfolgsgeschichte zu werden?

Unser Team ist bereit zu helfen.