Electron emission from ferroelectrics (FEE) is a promising source for electrons. Although extensive studies have shown that the emission is inititated by a variation of the spontaneous polarization, the exact underlying emission process remained unclear to date. The focus of this work is to analyze and improve the electron emission process from ferroelectric materials. To achieve low operation voltages thin films and low coercive voltage ferroelectric relaxor single crystals were used. The emission was measured under ultrahigh vacuum (UHV) conditions with a single electron detector. The ferroelectric thin films were prepared with a structured top electrode, with nanometer-sized regularly arranged apertures. The emission from lead zirconate titanate (PZT) thin films was achieved at excitation voltages as low as 10 V. The voltage dependent polarization state within the emission apertures of PZT was imaged using piezoresponse force microscopy (PFM). The PFM measurements revealed that an increased fraction of the free surface area is switched by an increased applied voltage. Additional, as a thin film electron emitter, bismuth ferrite (BFO) films were investigated. Ferroelectric relaxor lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) was used as single crystal electron emitter due to its low coercive field. The time-dependent electron emission process from PMN-PT was clarified with the help of exciting voltage pulses of variable duration. It is demonstrated that FEE from PMN-PT can be described in the framework of a random field model for relaxors, with the measured electron flux correlating with the amount of reversed polarization. The time-resolved analysis gives insight into the polarization switching and screening processes within PMN-PT. The local electron emission from PMN-PT single crystals has been investigated, in the nanometer regime, with the help of an AFM tip serving as an electron detector. Additionally, the influence of the aperture size in the top electrode on the emission has been investigated. It is found that the electron emission is strongly influenced by the electric field distribution in the aperture. An optimum aperture width for electron emission from PMN-PT, which is much smaller than the apertures used so far, was found. Comparative investigations of the electron emission process from relaxors with barium titanate showed that the emission from PMN-PT is much more complex than the emission from a conventional ferroelectric. General conclusions on the future applications of FEE can be drawn.

The scope of this PhD-thesis is the production and characterization of highly conductive ferroelectric domain walls in 5 mol% magnesium-doped lithium niobate single crystals. Therefore one domain wall is induced into a single domain sample by the means of a local poling procedure. The produced structure is contacted through evaporated macroscopic metal electrodes. Since domain walls typically exhibit low currents a high voltage treatment is applied to persistantly increase the conductance by several orders of magnitude. A deeper understanding of the mechansimn behind the transport characteristics is given via atomic force microscopy and Cherenkov second-harmonicgeneration-microscopy. The combinaiton of surface sensitive conduction measurements and three dimensional topology detection prove to be magnificent complementary methods. A clear correlation between inclination with respect to the z-axis and local conductivity is found. Through this correllation a simple and intuitive theory is derived inside the band model, which quantitativly explains the observed behaviour. Following some key process parameters like electrode material, poling procedure and doping of the lithiumniobate crystal are varied, while their influence on the high voltage treatment is investigated. Additionally the procedure is also applied to domain walls in lithium tantalate. Lastly domain walls are observed in real time under the influence of an electric field via Cherenkov second-harmonic-generation-microscopy. There is the possibillity of either two or three dimansional investigations while the latter bears a worse time resolution. It is shown that the speed of the domain wall movement holds a gradient along the z-axis, depending on the polarity of the electric field. / Die vorliegende Dissertation behandelt die Herstellung und Charakterisierung hochleitfähiger ferroelektrischer Domänenwände in 5 mol% magnesiumdotierten Lithiumniobat-Einkristallen. Dabei kommen eindomänige Probenstücke zum Einsatz in die durch lokale Umpolung eine einzelne Domänenwand induziert wird. Die makroskopische Kontaktierung der erzeugten Struktur erfolgt mit Hilfe von aufgedampften Metallelektroden. Da die Domänenwände üblicherweise nur sehr kleine Leitfähigkeiten zeigen wird durch eine Hochspannungsbehandlung selbige nachhaltig um mehrere Gröÿenordnungen erhöht. Einen tieferen Einblick in die Mechanismen der veränderten Transportcharakteristik gewähren die Rasterkraft- und Cherenkov-Second-Harmonic-Generation-Mikroskopie. Die Kombination aus oberflächensensitiver lokaler Leitfähigkeitsmessung und dreidimensionaler Topologieerfassung erweisen sich als ausgezeichnete komplementäre Methoden. Sie zeigen eine klare Korrelation zwischen Neigungswinkel der Wand im Verhältnis zur z-Achse und der gemessenen Leitfähigkeit. Über diesen Zusammenhang wird eine einfache, intuitive Theorie der Domänenwand im Bändermodell entwickelt, die das Verhalten quantitativ erklärt. Es folgt die Untersuchung verschiedener Prozessparameter wie Elektrodenmaterial, Polungsprozedur sowie Dotierung des Lithiumniobats und deren Einfluss auf die Hochspannungsbehandlung. Zudem wird diese auch an Lithiumtantalat-Kristallen getestet. Abschlieÿend wird eine Echtzeitmessung der Domänenwand unter angelegtem Feld mittels Cherenkov-Second-Harmonic-Generation-Mikroskopie durchgeführt. Diese ist dabei in zwei bzw. drei räumlichen Dimensionen möglich, wobei letztere eine geringere Zeitauflösung besitzt. Es wird deutlich, dass die Geschwindigkeit mit der sich die Domänenwand bewegt, einen Gradienten entlang der z-Achse aufweist. Dieser ist von der Polarität des elektrischen Feldes abhängig.

Electron emission from ferroelectrics (FEE) is a promising source for electrons. Although extensive studies have shown that the emission is inititated by a variation of the spontaneous polarization, the exact underlying emission process remained unclear to date. The focus of this work is to analyze and improve the electron emission process from ferroelectric materials. To achieve low operation voltages thin films and low coercive voltage ferroelectric relaxor single crystals were used. The emission was measured under ultrahigh vacuum (UHV) conditions with a single electron detector. The ferroelectric thin films were prepared with a structured top electrode, with nanometer-sized regularly arranged apertures. The emission from lead zirconate titanate (PZT) thin films was achieved at excitation voltages as low as 10 V. The voltage dependent polarization state within the emission apertures of PZT was imaged using piezoresponse force microscopy (PFM). The PFM measurements revealed that an increased fraction of the free surface area is switched by an increased applied voltage. Additional, as a thin film electron emitter, bismuth ferrite (BFO) films were investigated. Ferroelectric relaxor lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) was used as single crystal electron emitter due to its low coercive field. The time-dependent electron emission process from PMN-PT was clarified with the help of exciting voltage pulses of variable duration. It is demonstrated that FEE from PMN-PT can be described in the framework of a random field model for relaxors, with the measured electron flux correlating with the amount of reversed polarization. The time-resolved analysis gives insight into the polarization switching and screening processes within PMN-PT. The local electron emission from PMN-PT single crystals has been investigated, in the nanometer regime, with the help of an AFM tip serving as an electron detector. Additionally, the influence of the aperture size in the top electrode on the emission has been investigated. It is found that the electron emission is strongly influenced by the electric field distribution in the aperture. An optimum aperture width for electron emission from PMN-PT, which is much smaller than the apertures used so far, was found. Comparative investigations of the electron emission process from relaxors with barium titanate showed that the emission from PMN-PT is much more complex than the emission from a conventional ferroelectric. General conclusions on the future applications of FEE can be drawn.

Das Kristallsystem SrxBa1-xNb2O6 wurde über den gesamten Bereich, in dem die tetragonale Phase existiert, gezüchtet und untersucht. Es wurden die Gitterkonstanten, die Dichte, die Brechungsindizes und die Phasenübergangstemperatur bestimmt. Das Phasendiagramm des Kristallsystems wurde neu bestimmt.

Seit der Entdeckung von Ferroelektrizität in Hafniumoxid stellt es aufgrund seiner Prozesskompatibilität im Bereich der Mikroelektronik sowie seiner besonderen Eigenschaften ein wachsendes Forschungsfeld dar. Im Speziellen wird die Anwendung in nicht-flüchtigen Speichern, in neuromorphen Bauelementen sowie in piezo-/pyroelektrischen Sensoren untersucht. Jedoch ist das Verhalten von ferroelektrischem Hafniumoxid im Vergleich zu Ferroelektrika mit Perovskit-Struktur nicht im Detail verstanden. Zudem spielen Prozesseinflüsse während und nach der Abscheidung eine entscheidende Rolle für die Materialeigenschaften aufgrund der metastabilen Natur der ferroektrischen Phase in diesem Materialsystem. In dieser Arbeit werden die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Hafniumoxid, Prozesseinflüsse auf die Mikrostruktur und Zuverlässigkeitsaspekte von nicht-flüchtigen sowie neuromorphen Bauelementen untersucht. Im Bezug auf die physikalischen Eigenschaften zeigen sich hier deutliche Belege für ferroelastische 90° Domänenwandbewegungen in Hafniumoxid-basierten Dünnschichten, welche in einem ähnlichen Verhalten wie ein Antiferroelektrikum resultieren. Weiterhin wird über die Entdeckung von einer mittels elektrischem Feld induzierten Kristallisation in diesem Materialsystem berichtet. Für die Charakterisierung der Mikrostruktur wird als neue Methode Transmissions-Kikuchi-Diffraktion eingeführt, welche eine detaillierte Untersuchung der lokalen kristallographischen Phase, Orientierung und Gefügestruktur ermöglicht. Hierbei zeigen sich deutliche Vorzugsorientierungen in Abhängigkeit des Substrates, der Dotierstoffkonzentration sowie der Glühtemperatur. Auf Basis dieser Ergebnisse lassen sich die beobachteten Zuverlässigkeitsverhalten in Bauelementen erklären und mittels Defektkontrolle weiter optimieren. Schließlich wird das Verhalten in neuromorphen Bauelementen untersucht und Leitlinien für Prozess- und Bauelementoptimierung gegeben.:Abstract i Abstract ii List of Figures vi List of Tables x Acronyms xi Symbols xiv 1 Introduction 1 2 Theoretical background 3 2.1 Behavior of ferroelectric materials 3 2.1.1 Phase transitions at the Curie temperature 4 2.1.2 Domains, domain walls, and microstructure 5 2.2 Ferroelectricity in HfO2 6 2.2.1 Thermodynamics and kinetics 8 2.2.2 Antiferroelectric-like behavior, wake-up effect, and fatigue 11 2.2.3 Piezo- and pyroelectric effects 13 2.3 Ferroelectric FETs 13 2.3.1 Endurance, retention and variability 14 2.3.2 Neuromorphic devices 15 3 Methodology 17 3.1 Electrical analysis 17 3.1.1 Capacitors 17 3.1.2 FeFETs 19 3.2 Structural and chemical analysis 20 3.2.1 Grazing-incident X-ray diffraction (GIXRD) 20 3.2.2 Transmission electron microscopy (TEM) 20 3.2.3 Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) 21 3.3 Transmission Kikuchi diffraction 21 3.4 Sample preparation 23 4 The physics of ferroelectric HfO2 25 4.1 Ferroelastic switching 25 4.2 Electric field-induced crystallization 30 5 Microstructure engineering 33 5.1 Microstructure and ferroelectric domains in HfO2 33 5.2 Doping influences 34 5.2.1 Zr doping (similar ionic radius) 35 5.2.2 Si doping (smaller ionic radius) 43 5.2.3 La doping (larger ionic radius) 50 5.2.4 Co-doping 50 5.3 Annealing influences 53 5.4 Interlayer influences 58 5.5 Interface layer influences 62 5.5.1 Structural differences in the HfO2 layer 63 5.5.2 Interactions of the interface and HfO2 layer 67 5.5.3 Substrate-driven changes in the Si-doping profile 73 5.6 Phenomenological wake-up behaviors and process guidelines 77 6 HfO2-based ferroelectric FETs 81 6.1 Endurance, retention and variability 81 6.1.1 Analytic model of HfO2-based FeFETs 84 6.1.2 Endurance improvements by interface fluorination 94 6.2 Neuromorphic devices and circuits 98 6.2.1 Current peroclation paths in FeFETs 100 6.2.2 Material and stack influences on synaptic devices 105 6.2.3 Reliability aspects of synaptic devices 106 7 Conclusion and outlook 109 Appendix 142 Density-functional-theory calculations 142 Supplementary Figures 143 Publications 145 Acknowledgment 156 Declaration 158 / The discovery of ferroelectricity in hafnium oxide spurred a growing research field due to hafnium oxides compatibility with processes in microelectronics as well as its unique properties. Notably, its application in non-volatile memories, neuromorphic devices as well as piezo- and pyroelectric sensors is investigated. However, the behavior of ferroelectric hafnium oxide is not understood into depth compared to common perovskite structure ferroelectrics. Due the the metastable nature of the ferroelectric phase, process conditions have a strong influence during and after its deposition. In this work, the physical properties of hafnium oxide, process influences on the microstructure as well as reliability aspects in non-volatile and neuromorphic devices are investigated. With respect to the physical properties, strong evidence is provided that the antiferroelectric-like behavior in hafnium oxide based thin films is governed by ferroelastic 90° domain wall movement. Furthermore, the discovery of an electric field-induced crystallization process in this material system is reported. For the analysis of the microstructure, the novel method of transmission Kikuchi diffraction is introduced, allowing an investigation of the local crystallographic phase, orientation and grain structure. Here, strong crystallographic textures are observed in dependence of the substrate, doping concentration and annealing temperature. Based on these results, the observed reliability behavior in the electronic devices is explainable and engineering of the present defect landscape enables further optimization. Finally, the behavior in neuromorphic devices is explored as well as process and design guidelines for the desired behavior are provided.:Abstract i Abstract ii List of Figures vi List of Tables x Acronyms xi Symbols xiv 1 Introduction 1 2 Theoretical background 3 2.1 Behavior of ferroelectric materials 3 2.1.1 Phase transitions at the Curie temperature 4 2.1.2 Domains, domain walls, and microstructure 5 2.2 Ferroelectricity in HfO2 6 2.2.1 Thermodynamics and kinetics 8 2.2.2 Antiferroelectric-like behavior, wake-up effect, and fatigue 11 2.2.3 Piezo- and pyroelectric effects 13 2.3 Ferroelectric FETs 13 2.3.1 Endurance, retention and variability 14 2.3.2 Neuromorphic devices 15 3 Methodology 17 3.1 Electrical analysis 17 3.1.1 Capacitors 17 3.1.2 FeFETs 19 3.2 Structural and chemical analysis 20 3.2.1 Grazing-incident X-ray diffraction (GIXRD) 20 3.2.2 Transmission electron microscopy (TEM) 20 3.2.3 Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) 21 3.3 Transmission Kikuchi diffraction 21 3.4 Sample preparation 23 4 The physics of ferroelectric HfO2 25 4.1 Ferroelastic switching 25 4.2 Electric field-induced crystallization 30 5 Microstructure engineering 33 5.1 Microstructure and ferroelectric domains in HfO2 33 5.2 Doping influences 34 5.2.1 Zr doping (similar ionic radius) 35 5.2.2 Si doping (smaller ionic radius) 43 5.2.3 La doping (larger ionic radius) 50 5.2.4 Co-doping 50 5.3 Annealing influences 53 5.4 Interlayer influences 58 5.5 Interface layer influences 62 5.5.1 Structural differences in the HfO2 layer 63 5.5.2 Interactions of the interface and HfO2 layer 67 5.5.3 Substrate-driven changes in the Si-doping profile 73 5.6 Phenomenological wake-up behaviors and process guidelines 77 6 HfO2-based ferroelectric FETs 81 6.1 Endurance, retention and variability 81 6.1.1 Analytic model of HfO2-based FeFETs 84 6.1.2 Endurance improvements by interface fluorination 94 6.2 Neuromorphic devices and circuits 98 6.2.1 Current peroclation paths in FeFETs 100 6.2.2 Material and stack influences on synaptic devices 105 6.2.3 Reliability aspects of synaptic devices 106 7 Conclusion and outlook 109 Appendix 142 Density-functional-theory calculations 142 Supplementary Figures 143 Publications 145 Acknowledgment 156 Declaration 158

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der elektrischen Polarisation auf Eigenschaften freier Träger in ZnO basierten Halbleiterheterostrukturen. Dabei werden insbesondere Transporteigenschaften freier Träger sowie deren Rekombinationsdynamik untersucht. Die Arbeit behandelt vier inhaltliche Schwerpunkte. Der erste Schwerpunkt liegt auf den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialen, hier wird der Zusammenhang der Bandlücke und der Gitterkonstanten von MgZnO Dünnfilmen und deren Magnesiumgehalt beschrieben. Weiterhin wird die Morphologie solcher Filme diskutiert. Auf unterschiedliche Substrate und Abscheidebedingungen wird dabei detailliert eingegangen. Der zweite Schwerpunkt behandelt die Eigenschaften undotierter und phosphordotierter ZnO und MgZnO Dünnfilme. Die strukturellen, Transport- und Lumineszenzeigenschaften werden hier verglichen und Rückschlüsse auf die Züchtungsbedingungen gezogen. Im dritten Schwerpunkt werden Quanteneffekte an ZnO/MgZnO Grenzflaechen behandelt. Hierbei wird insbesondere auf den Einfluss der elektrischen Polarisation eingegangen. Die Präsenz eines zweidimensionalen Elektronengases wird nachgewiesen, und die notwendigen Bedingungen zur Entstehung des sogenannten qunatum confined Stark-effects werden dargelegt. Insbesondere wird hier auf züchtungsrelevante Parameter eingegangen. Den vierten Schwerpunkt stellen Kopplungsphänomene in ZnO/BaTiO3 Heterostrukturen dar. Dabei werden zuerst die experimentell beobachten Eigenschaften verschiedener Heterostrukturen die auf unterschiedlichen Substraten gezüchtet wurden aufgezeigt. Hier stehen strukturelle und Transporteigenschaften im Vordergrund. Ein Modell zur Beschreibung der Ausbildung von Raumladungszonen in derartigen Heterostrukturen wird eingeführt und zur Beschreibung der experimentellen Ergebnisse angewandt. Die Nutzbarkeit der ferroelektrischen Eigenschaften des Materials BaTiO3 in Kombination mit halbleitendem ZnO wurden untersucht. Hierzu wurden ferroelektrische Feldeffekttransistoren unter Verwendung beider Materialien hergestellt. Die prinzipielle Eignung der Bauelemente als nichtflüchtige Speicherelemente wurde nachgewiesen.

In den kommenden Jahren ist eine deutliche Erhöhung des digitalen Speicherbedarfs zu erwarten, was neue Anforderungen an künftige Speichertechnologien und –architekturen bringt. Hafniumoxid ist aktuell das Standard-Gatedielektrikum für Transistoren in der Halbleitertechnologie und wird in resistiven und ferroelektrischen Speichern eingesetzt, die für kommende Speichergenerationen geeignet sind. In dieser Arbeit wird die Kombination aus resistiven und ferroelektrischen Speichermechanismen untersucht. Zunächst konnte gezeigt werden, dass sich beide Schaltvorgänge in einer Zelle realisieren lassen. Dazu wurde eine polykristalline, ferroelektrische Hafniumoxidschicht in eine Kondensatorstruktur mit unterschiedlichen Elektroden gebracht. Der reversible resistive und ferroelektrische Schaltvorgang beruht auf einer Zurücksetz-Operation in einen sehr hochohmigen Zustand, wodurch die Oxidschicht für weiteres ferroelektrisches Schalten genutzt werden konnte. Zusätzlich wurde der Einfluss von Sauerstofffehlstellen auf die resistiven Formier- und Schreibspannungen nachgewiesen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden ferroelektrische Tunnelkontakte (engl. FTJ) hergestellt und systematisch auf ihre Schalt- und Speichereigenschaften untersucht. Diese beruhen auf der Informationsspeicherung in der ferroelektrischen Hafniumzirkoniumoxid-Schicht (HZO) und auf einem resistiven Auslesemechanismus, bei dem der Tunnelstrom für den jeweiligen Polarisationszustand gemessen wird. Dieser Lesevorgang ist nichtdestruktiv. Für den quantenmechanischen Tunnelvorgang sind dünne Oxidschicht notwendig, um einen ausreichend hohen Tunnelstrom zu erreichen. HZO-basierte Schichten verlieren ihre ferroelektrischen Eigenschaften unter einer kritischen Schichtdicke, die für einen klassischen Metall-Ferroelektrikum-Metall-Tunnelkontakt zu hoch ist. Dazu wurde in dieser Arbeit der Ansatz gewählt, zusätzlich eine dielektrische Aluminiumoxid-Tunnelbarriere in die Struktur einzubringen. Dadurch können die ferroelektrische und dielektrische Schicht unabhängig voneinander optimiert werden (2-lagiger ferroelektrischer Tunnelkontakt). Es konnte gezeigt werden, dass nur in einem bestimmten Dielektrikums-Schichtdickenbereich zwischen etwa 2-2,5nm das gewünschte Tunnelverhalten der Struktur hervortritt. Beim Setzen der jeweiligen Polarisationszustände tritt in der Schaltkinetik der bekannte Zeit-Amplituden-Kompromiss auf. Dieser wurde mithilfe des nukleationslimierten Schaltmodells untersucht. Über eine geeignete Wahl von Pulsdauer und –amplitude können durch Teilpolarisation Zwischenzustände gespeichert werden. Die Zyklenfestigkeit zeigt ein stärkeres Aufwachverhalten als die reine HZO-Schicht. Es konnte gezeigt werden, dass der Auslesetunnelstroms direkt mit dem Anstieg der remanenten Polarisation korreliert und somit das Speicherfenster mit einem An/Aus-Verhältnis von 10 erst nach etwa 10^2 Schaltzyklen vollständig geöffnet ist. Die Datenhaltung zeigte nur ein marginales Speicherfenster bei Extrapolation auf 10 Jahre. Die Datenhaltung konnte durch Abscheidung von Titannitrid- und Platin-Metallelektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten stabilisiert werden. Damit ließ sich das Speicherfenster deutlich erhöhen. Die Möglichkeit, Zwischenzustände speichern und graduell einzustellen zu können, erlaubt die Nutzung der zweilagigen FTJs als künstliche Synapsen. Dazu wurde über verschiedene Pulsfolgen der veränderliche Tunnelwiderstand als synaptisches Gewicht interpretiert. Damit konnte Potenzierung- und Depressionsverhalten der künstlichen Synapse emuliert werden.:Danksagung I Kurzzusammenfassung II Abstract III Symbolverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis IX 1 Einführung und Motivation 1 2 Grundlagen 4 2.1 Dielektrizität und Ferroelektrizität 4 2.2 Ferroelektrizität in HfO2 9 2.3 Arten ferroelektrischer Speicher 13 2.3.1 Ferroelektrischer Kondensator 13 2.3.2 Ferroelektrischer Feldeffekttransistor 15 2.3.3 Ferroelektrischer Tunnelkontakt 16 2.4 Überblick über resistive Speicher 24 3 Experimentelle Methoden 28 3.1 Physikalische Charakterisierung 28 3.1.1 Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall 28 3.1.2 Röntgenreflektometrie 28 3.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie 29 3.2 Elektrische Untersuchungsmethoden 29 3.2.1 Elektrische Messung resistiver Schaltkurven 29 3.2.2 Dynamische Hysteresekurven und Messung der Zyklenfestigkeit 29 3.2.3 Elektrische Messung der ferroelektrischen Tunnelkontakte 30 3.3 Abscheideverfahren zur Herstellung der Kondensatorstrukturen 31 3.3.1 Reaktives Magnetronsputtern 32 3.3.2 Elektronenstrahlverdampfung und Thermisches Verdampfen 32 3.3.3 Atomlagenabscheidung 33 4 Resistives und ferroelektrisches Schalten in einer Zelle 34 4.1 Resistives Schalten in amorphem und kristallinem HfO2 34 4.2 Kombination von resistivem und ferroelektrischem Schalten in einer Struktur 38 5 Ferroelektrische Tunnelkontakte 46 5.1 Charakterisierung der ferroelektrischen Hafniumzirkoniumoxid-Schicht 46 5.2 Übersicht und Aufbau der untersuchten Proben 50 5.3 (Ferro-)Elektrische Eigenschaften und Schichtdickenoptimierung der FE/DE-FTJs 53 5.3.1 Einfluss der Al2O3-Schichtdicke 60 5.3.2 Skalierbarkeit 64 5.4 Schaltkinetik 67 5.5 Zyklenfestigkeit 78 5.6 Datenhaltung 87 5.6.1 Einfluss von Depolarisationsfeldern in zweilagigen FTJs 87 5.6.2 Optimierung durch Elektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten 93 5.7 Anwendung von FTJs als künstliche Synapse in gepulsten neuronalen Netzen 97 5.8 Vergleich, Ausblick und weiterführende Verbesserung des Bauelements 105 6 Zusammenfassung und Ausblick 109 Literaturverzeichnis XI Curriculum Vitae XXXVIII Publikationsliste XL Selbstständigkeitserklärung XLIII

Die off-axis Elektronenholografie im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erlaubt die quantitative Rekonstruktion der komplexen Objektaustrittswelle mit atomarer Auflösung. Die Auswertung der Phase dieser Welle ermöglicht die Unterscheidung der Atomsorten bzw. das Zählen der Atome in Projektionsrichtung sowie die Bestimmung von Atompositionen. Damit ist ein TEM über die einfache Abbildung hinaus ein sehr leistungsstarkes Messgerät zur quantitativen Analyse kleinster Strukturen bis hin zur atomaren Skala. Die Prozedur von der Aufnahme eines hochaufgelösten Elektronenhologramms über die Rekonstruktion bis zur bildfehlerkorrigierten Objektwelle ist jedoch sehr umfangreich und teils sehr anfällig für Artefakte. Diese Arbeit zeigt unter kritischer Betrachtung der einzelnen Einflüsse, wie dieser Weg zu beschreiten ist, um schlussendlich zu einer artefaktfreien, interpretierbaren Objektwelle zu gelangen. Im letzten Jahrzehnt haben Bildfehler-Korrektoren die höchstauflösende Transmissions-elektronenmikroskopie auf instrumenteller Seite revolutioniert. Auch die off-axis Holografie kann eine ganze Reihe von Vorteilen aus diesem elektronenoptischen Zusatzsystem ziehen. Neben der Analyse dieser einzelnen Verbesserungen, insbesondere der Phasensignalauflösung, wird gezeigt, wie es das Cs-korrigierte TEM zu optimieren gilt, um schließlich bestmögliche Ergebnisse für quantitative Objektanalyse zu erzielen. Zwei Anwendungsbeispiele zeigen experimentelle Ergebnisse der Elektronenholografie mit Cs-korrigierten Mikroskopen. Bei der Analyse ferroelektrischer Nanoschichten erweisen sich die einzigartigen Möglichkeiten der holografischen Auswertung im Zusammenspiel mit der nunmehr hervorragenden Signalauflösung als äußerst nützlich, um die ferroelektrische Polarisation zu ermitteln. Die Objektwellenrekonstruktion der Korngrenze in einer Goldfolie demonstriert weitere Verbesserungen für die Holografie, wenn zusätzlich eine neuartige Elektronenquelle mit höherem Richtstrahlwert zum Einsatz kommt. Einzelne Goldatome werden mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von ca. 10 in Amplitude und Phase messbar. / Off-axis electron holography in a transmission electron microscope (TEM) allows reconstructing the complex object exit-wave quantitatively with atomic resolution. Analyzing the phase shift of this wave gives access to the atomic species and enables counting the number of atoms in projection direction as well as determining atom positions. Therefore, a TEM is a very powerful measuring device for quantitative analysis of smallest structures down to the atomic scale beyond simple microscopic imaging. The procedure of the recording of a high-resolution electron hologram, its reconstruction, and after numerical aberration correction finally ending up with the object-exit wave, is quite comprehensive and partially susceptible to artifacts. This work shows how to manage this procedure in order to obtain an interpretable object exit-wave, which is free of artifacts. In instrumentation within the last decade aberration correctors have revolutionized high-resolution electron microscopy. Also off-axis holography can benefit from this electron optical add-on module. Besides the exploration of each improvement, in particular the phase detection limit, this work demonstrates, how to optimize the Cs-corrected TEM in order to get best possible results for quantitative object analysis. Two application examples show experimental results of electron holography with Cs-corrected microscopes. For the investigation of ferroelectric nanolayers, the unique possibilities of the holographic evaluation together with the strongly improved signal resolution turn out to be very useful when determining the ferroelectric polarization. The object wave reconstruction of the grain boundary in a gold film demonstrates further improvements for holography, when additionally using a new electron gun with improved brightness. Single gold atoms become measurable with a signal-noise-ratio of about 10 in amplitude and phase.

The influence of depolarization and its role in causing data retention failure in ferroelectric memories is investigated. Ferroelectric Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ thin films 8 nm thick incorporated into a metal-ferroelectric-metal capacitor are fabricated and characterized with varying thicknesses of an Al₂O₃ interfacial layer. The magnitude of the depolarization field is adjusted by controlling the thickness of the Al₂O₃ layer. The initial polarization and the change in polarization with electric field cycling is strongly impacted by the insertion of Al₂O₃ within the device stack. Transient polarization loss is shown to get worse with larger depolarization fields and data retention is evaluated up to 85 °C.

Die off-axis Elektronenholografie im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erlaubt die quantitative Rekonstruktion der komplexen Objektaustrittswelle mit atomarer Auflösung. Die Auswertung der Phase dieser Welle ermöglicht die Unterscheidung der Atomsorten bzw. das Zählen der Atome in Projektionsrichtung sowie die Bestimmung von Atompositionen. Damit ist ein TEM über die einfache Abbildung hinaus ein sehr leistungsstarkes Messgerät zur quantitativen Analyse kleinster Strukturen bis hin zur atomaren Skala. Die Prozedur von der Aufnahme eines hochaufgelösten Elektronenhologramms über die Rekonstruktion bis zur bildfehlerkorrigierten Objektwelle ist jedoch sehr umfangreich und teils sehr anfällig für Artefakte. Diese Arbeit zeigt unter kritischer Betrachtung der einzelnen Einflüsse, wie dieser Weg zu beschreiten ist, um schlussendlich zu einer artefaktfreien, interpretierbaren Objektwelle zu gelangen. Im letzten Jahrzehnt haben Bildfehler-Korrektoren die höchstauflösende Transmissions-elektronenmikroskopie auf instrumenteller Seite revolutioniert. Auch die off-axis Holografie kann eine ganze Reihe von Vorteilen aus diesem elektronenoptischen Zusatzsystem ziehen. Neben der Analyse dieser einzelnen Verbesserungen, insbesondere der Phasensignalauflösung, wird gezeigt, wie es das Cs-korrigierte TEM zu optimieren gilt, um schließlich bestmögliche Ergebnisse für quantitative Objektanalyse zu erzielen. Zwei Anwendungsbeispiele zeigen experimentelle Ergebnisse der Elektronenholografie mit Cs-korrigierten Mikroskopen. Bei der Analyse ferroelektrischer Nanoschichten erweisen sich die einzigartigen Möglichkeiten der holografischen Auswertung im Zusammenspiel mit der nunmehr hervorragenden Signalauflösung als äußerst nützlich, um die ferroelektrische Polarisation zu ermitteln. Die Objektwellenrekonstruktion der Korngrenze in einer Goldfolie demonstriert weitere Verbesserungen für die Holografie, wenn zusätzlich eine neuartige Elektronenquelle mit höherem Richtstrahlwert zum Einsatz kommt. Einzelne Goldatome werden mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von ca. 10 in Amplitude und Phase messbar. / Off-axis electron holography in a transmission electron microscope (TEM) allows reconstructing the complex object exit-wave quantitatively with atomic resolution. Analyzing the phase shift of this wave gives access to the atomic species and enables counting the number of atoms in projection direction as well as determining atom positions. Therefore, a TEM is a very powerful measuring device for quantitative analysis of smallest structures down to the atomic scale beyond simple microscopic imaging. The procedure of the recording of a high-resolution electron hologram, its reconstruction, and after numerical aberration correction finally ending up with the object-exit wave, is quite comprehensive and partially susceptible to artifacts. This work shows how to manage this procedure in order to obtain an interpretable object exit-wave, which is free of artifacts. In instrumentation within the last decade aberration correctors have revolutionized high-resolution electron microscopy. Also off-axis holography can benefit from this electron optical add-on module. Besides the exploration of each improvement, in particular the phase detection limit, this work demonstrates, how to optimize the Cs-corrected TEM in order to get best possible results for quantitative object analysis. Two application examples show experimental results of electron holography with Cs-corrected microscopes. For the investigation of ferroelectric nanolayers, the unique possibilities of the holographic evaluation together with the strongly improved signal resolution turn out to be very useful when determining the ferroelectric polarization. The object wave reconstruction of the grain boundary in a gold film demonstrates further improvements for holography, when additionally using a new electron gun with improved brightness. Single gold atoms become measurable with a signal-noise-ratio of about 10 in amplitude and phase.