Deposition and modelling of lead zirconate titanate thin films on stainless steel for MEMS applications
Deposition and modelling of lead zirconate titanate thin films on stainless steel for MEMS applications
Technological development is permanently advancing in the direction of miniaturisation and energy consumption reduction. One of the keys to this pathway lies in the integration of ferroelectric thin films into Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) applications. For this purpose, due to its large piezoelectric response, lead zirconate titanate is the material of choice in industry. To broaden the range of applications, substrates less brittle than the currently favoured silicon must be implemented into MEMS. In this work, lead zirconate titanate thin films on stainless steel substrates were both experimentally investigated and modelled.
Lead zirconate titanate thin films of composition PbZr0.52Ti0.48O3 were grown on AISI 304 stainless steel substrates by pulsed laser deposition with {001} texture to improve their piezoelectric response. As demonstrated using X-ray and electron backscatter diffraction, the texture engineering is achieved through a selection of two buffer layers, Al2O3 and LaNiO3. The former buffer prevents the oxidation of the stainless steel substrate during deposition of the subsequent layers. The latter serves as both a bottom electrode and a growth template to promote the {001} texture of PbZr0.52Ti0.48O3 thin films. The lead zirconate titanate thin films ferroelectric properties are improved through 2 mol.% Nb-doping, resulting in dielectric constants and losses at 1 kHz for a 200 nm thick film of 350 and below 5 %, respectively, before measurement of polarisation versus electrical field hysteresis. Following these measurements, the Nb-doped lead zirconate titanate thin films permittivity increases up to 430. With a thickness of 400 nm, the films exhibit a remanent polarisation of 16.5 μC·cm−2 and a coercive field of 92 kV·cm−1.
In the modelling, based on a ferroelectric switching criterion and the Euler-Bernoulli beam theory, it was investigated how the vertical deflection of ferroelectric bending tongues behaves with a load at their free end. The model developed here bridges the gap existing in literature between the modelling of ferroelectric switching and the mechanical description of linear piezoelectric structures. Furthermore, the ferroelectric switching criterion model is improved by the inclusion of strain saturation at high fields, which is inherent to ferroelectrics. The model includes parameters describing the geometry of the bending tongue, its mechanical and material properties, the crystallographic state and built-in strain of the ferroelectric thin film and the applied electrical field to determine the vertical deflection for MEMS applications based on ferroelectric bending tongues.
In summary, the technically relevant {001} texture of lead zirconate titanate thin films on stainless steel substrates has been successfully engineered. The thin films, especially with 2 mol.% Nb-doping, are excellent candidates for MEMS applications on non-brittle substrates, in particular in sensor technology. Furthermore, the model established in this work indicates that ferroelectric bending tongues made of lead zirconate titanate on stainless steel substrates can develop sufficient vertical deflection for MEMS applications.
Die technologische Entwicklung schreitet permanent in Richtung Miniaturisierung und Reduzierung des Energieverbrauchs voran. Einer der Schlüssel zu diesem Weg liegt in der Integration von ferroelektrischen Dünnschichten in die Mikrosystemtechnik (Englisch: Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)). Zu diesem Zweck ist Blei-Zirkonat-Titanat aufgrund seines großen piezoelektrischen Koeffizienten das Material der Wahl. Um den Anwendungsbereich zu erweitern, müssen Substrate, die weniger spröde sind als das derzeit favorisierte Silizium, in MEMS implementiert werden. In dieser Arbeit wurden Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschichten auf Edelstahlsubstraten sowohl experimentell untersucht als auch modelliert.
Die Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschichten der Zusammensetzung PbZr0.52Ti0.48O3wurden auf AISI 304 Edelstahl-Substraten durch gepulster Laserabscheidung mit {001} Textur aufgewachsen, um ihr piezoelektrisches Verhalten zu verbessern. Wie mittels Röntgen- und Elektronenrückstreubeugung gezeigt werden konnte, wird die Texturoptimierung durch die Auswahl von zwei Pufferschichten, Al2O3 und LaNiO3, erreicht. Die erste Pufferschicht verhindert die Oxidation des Edelstahlsubstrats während der Abscheidung der nachfolgenden Schichten. Die zweite dient sowohl als Bodenelektrode als auch als Wachstumsschablone zur Förderung der {001} Textur von PbZr0.52Ti0.48O3-Dünnschichten. Die ferroelektrischen Eigenschaften der Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschichten werden durch 2 mol.% Nb-Dotierung verbessert, was im Rohzustand zu Dielektrizitätskonstanten und Verlusten bei 1 kHz für einen 200 nm dicken Film von 350 bzw. unter 5 % führt. Nach Messung der Hysteresekurve (elektrische Polarisation gegen das elektrische Feld) steigt die Permittivität der Nb-dotierten Blei-Zirkonat-Titanat Dünnschichten auf bis zu 430. Bei einer Dicke von 400 nm zeigen die Schichten eine remanente Polarisation von 16,5 μC·cm−2 und ein Koerzitivfeld von 92 kV·cm−1.
In der Modellierung wurde basierend auf einem ferroelektrischen Schaltkriterium und der Euler-Bernoulli-Strahlentheorie untersucht, wie sich die vertikale Auslenkung von ferroelektrischen Biegezungen mit einer Last an ihrem freien Ende verhält. Das hier entwickelte Modell überbrückt die in der Literatur bestehende Lücke zwischen der Modellierung des ferroelektrischen Schaltens und der mechanischen Beschreibung von linearen piezoelektrischen Strukturen. Darüberhinausgehend wird das Modell des ferroelektrischen Schaltkriteriums durch den Einbezug der Dehnungssättigung bei hohen Feldern, die den Ferroelektrika inhärent ist, verbessert. Das Modell enthält Parameter, die Geometrie der Biegezunge, ihre mechanischen und Materialeigenschaften, den kristallographischen Zustand, die eingebaute Verspannung der ferroelektrischen Dünnschicht sowie das angelegte elektrische Feld berücksichtigen, um die vertikale Auslenkung für MEMS-Anwendungen zu bestimmen, die auf ferroelektrischen Biegezungen basieren.
Zusammenfassend wurde die technisch {001} Textur von Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschichten auf Edelstahlsubstraten erfolgreich eingestellt. Die dünnen Schichten, insbesondere mit 2 mol.% Nb-Dotierung, sind hervorragende Kandidaten für MEMS-Anwendungen auf nicht-spröden Substraten, insbesondere in der Sensorik. Darüber hinaus zeigt das in dieser Arbeit aufgestellte Modell, dass ferroelektrische Biegezungen aus Blei-Zirkonat-Titanat auf Edelstahlsubstraten eine ausreichende vertikale Auslenkung für MEMS Anwendungen entwickeln können.
