Methods for reliability assessment and a deep understanding of degradation mechanisms are important for product and process development. In this work, reliability under electrical stress of a state-of-the-art integrated low-temperature PVD PZT Film stack is discussed. DC and AC lifetime under electric stress are investigated experimentally over wide ranges of temperature and applied electric field. Empirical Weibull analysis and comparison of the obtained Weibull slope is used to evaluate suitable acceleration ranges for empirical testing. Changes of the Weibull slope above a temperature of 150 °C and gradual change over voltage acceleration in the range of 100 kV/cm to 200 kV/cm were found. This indicates that accelerated lifetime testing in the temperature range below 150 °C is possible and caution is required for voltage acceleration. The results of this study are also published in Ref. (a). Closing the literature gap, time to breakdown data under unipolar AC electric stress is presented. Comparison with results obtained under DC electric stress reveals that the DC degradation mechanism still dominates under unipolar AC load. This observation was found to hold over tested AC frequency, DC offset, and temperature ranges. As consequence, AC lifetime can be predicted based on DC time to breakdown experiments (b). To enhance the physical understanding of degradation and breakdown, variation of the leakage current over time during electrical load is analyzed. An enhanced physical model for leakage current degradation is proposed and degradation kinetics are studied experimentally. For the first time, more than one defect species being active and manifesting in leakage current degradation of perovskite oxides are proposed and experimental evidence is presented to substantiate the hypotheses. Model predictions and experimental results are found to be in excellent agreement. The proposed characterization method allows for characterization of contributing defect types by associated charge and true activation energy (c). Based on experimental observations, a direct connection between leakage current degradation mechanism and time dependent dielectric breakdown (TDDB) mechanism is proposed and formulated in a physical model. For the first time, kinetics of leakage current degradation and TDDB are successfully linked, using new evaluation methods for the experimental data obtained under DC and AC electrical stress. This pioneering connection between leakage current and breakdown ultimately leads to the fundament of a comprehensive HALT model. Fundamental implications of the new findings on reliability testing of high-k dielectrics are discussed. / Methoden zur Zuverlässigkeitsbewertung und ein tiefes Verständnis der Degradationsmechanismen sind wichtig für die Produkt- und Prozessentwicklung. In dieser Arbeit wird die Zuverlässigkeit eines auf dem Stand der Technik befindlichen integrierten niedertemperatur PVD PZT Dünnschichtstapels unter elektrischer Last diskutiert. Lebenszeit unter Gleichstrom- (DC) und Wechselstromlast (AC) werden experimentell über weite Bereiche der Temperatur und angelegter Feldstärke untersucht. Empirische Weibull Analyse und Vergleich der erhaltenen Weibull-Module werden verwendet, um Beschleunigungsbereiche für empirische Testverfahren zu bewerten. Eine Veränderung der Weibull-Module oberhalb von 150 °C und eine graduelle Veränderung für Spannungsbeschleunigung im Bereich von 100 kV/cm bis 200 kV/cm wurden festgestellt. Dies weist darauf hin, dass beschleunigte Lebenszeittests im Temperaturbereich unterhalb von 150 °C möglich sind, Spannungsbeschleunigung jedoch mit hoher Vorsicht zu bewerten ist. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ebenfalls in Ref. (a) veröffentlicht. Durch die Präsentation von Durchbruchzeiten unter unipolarer AC-Belastung wird eine Forschungslücke geschlossen. Ein Vergleich mit Ergebnissen, die unter Gleichstrombelastung erhoben wurden zeigt, dass Degradationsmechanismen, die unter DC aktiv sind unter unipolarer AC-Belastung das Durchbruchverhalten weiterhin dominieren. Diese Beobachtung hat Bestand über die untersuchten Bereiche von AC-Frequenz, DC-Versatz und Temperatur. Daraus folgt, dass Lebenszeit unter AC-Belastung durch Experimente unter DC vorhergesagt werden kann (b). Um das physikalische Verständins von Degradation und Durchbruch zu erweitern, wird die Veränderung des Leckstroms über elektrischer Belastungszeit analysiert. Ein erweitertes physikalisches Modell für die Leckstromdegradation wird vorgeschlagen und die Degradationskinetik wird experimentell untersucht. Zum ersten Mal, werden mehr als zwei aktive Defektarten, die sich in der Leckstromdegradation von Perowskit Oxiden abzeichnen eingebracht und durch experimentelle Befunde untermauert. Modellvorhersagen und experimentelle Ergebnisse zeigen eine exzellente Übereinstimmung. Die vorgeschlagene Charakterisierungsmethode erlaubt die Charakterisierung der beteiligten Defektarten über zugeordneter Ladung und wahrer Aktivierungsenergie (c). Basierend auf experimentellen Beobachtungen wird ein direkter Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und zeitabhängigem dielektrischen Durchbruchmechanismus (TDDB) vorgeschlagen und in einem physikalischen Modell abgebildet. Zum ersten Mal werden die Kinetik hinter Leckstromdegradation und TDDB über neue Auswerteverfahren der erhobenen experimentellen Daten unter DC- und AC-Belastung erfolgreich verknüpft. Dieser wegweisende Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und Durchbruch legt das Fundament zu einer verständnisbasierten stark beschleunigten Grenzlastprüfung. Grundlegende Auswirkungen der neuen Ergebnisse auf Zuverlässigkeitstestmethoden von high-k Dielektrika werden diskutiert.

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This work deals with the structural and dielectric properties of Bariumtitanate (BTO) / Strontiumtitanate (STO) superlattices. The investigations were carried during the research for a doctoral thesis on the IFW Dresden, Institute for Metallic Materials (under supervision of Prof. Schulz). These multilayers have been prepared on single crystalline STO of (100) and (111) orientated substrates. All films where grown in an epitaxial mode. Additional superlattices and Bariumstrontiumtitanate (BSTO) thin films on silicon substrates with platinum bottom electrodes have been prepared. Thereby, (111) fibre-textured polycrystalline superlattices were produced. According to our knowledge this result was achieved for the first time (is unique in the world at the moment). According to high resolution TEM investigations of (001) oriented superlattices multilayers with atomically thin interfaces without noticeable interdiffusion have been prepared. XRD pattern of a multilayer consisting of BTO and STO monolayers that have only a thickness adequate one unit cell of BTO respective STO confirm this assumption. Multilayers on (111) oriented STO substrates show a much higher interface roughness than (001) orientated films. Regarding to the examinations in this thesis it is suggested that the roughness is correlated with the reduction of internal stresses by deformation of the stack and not with interdiffusion between the monolayers. For electrical measurements the film thickness has been varied from 30 nm to 300 nm and the periodicity in the range from 0.8 nm to 20 nm. Additionally, BSTO films of equivalent thickness and integral chemical composition were produced. Dielectical measurements were carried out in the temperature range from 20 K to 600 K and hysteresis measurements were done. It has to be pointed out, that multilayers have always lower dielectrical performances then BSTO films. In all cases the dielectric constant (DC) decreases with decreasing film thickness. Multilayers of a small periodicity show the highest DC?s, decreasing with increasing monolayer thickness in all cases. The maximum of DC shifted with decreasing film thickness to higher temperatures thus correlating with an increase of the out of plane lattice parameter. In this paper the mismatch between the stack respectivly the BSTO layers and the substrate has widely been discussed. In the case of BSTO the dielectric data can be qualitatively explained with the theory of strained films, developed mainly by Pertsev, under the assumption of a strain gradient in the thin film. Strain effects do also play an important role in ferroelectric multilayers as well as size and coupling effects between the monolayers. An adequate theory for the description of the dielectric behaviour of the ferroelectric superlattice produced during this research does yet not exist. Some thesis where pointed out, which effects have to be essentially included in to a consistent theory of ferroelectric multilayer. Some practical tips are also given, how to prepare monolayers and superlattices with very high DC and exellent hysteretic behaviour. / Es wurden (001) und (111) orientierte symmetrische BTO/STO-Multilagen auf niobdotierten STO-Einkristallen abgeschieden. Hierbei wurde sowohl die Gesamtschichtdicke, als auch deren Periodizität variiert. Zum Vergleich wurden weiterhin Ba0.5Sr0.5TiO3-Mischschichten unterschiedlicher Dicke präpariert. Aus den HRTEM und XRD Untersuchungen kann geschlossen werden, dass alle erhaltenen Schichten sowohl phasenrein als auch perfekt biaxial texturiert sind. Im Falle der (001) orientierten Multilagen konnten atomar scharfe Grenzflächen zwischen Einzellagen erhalten werden, wobei sich die Einzellagendicke bis auf eine Monolage (0.4 nm) reduzieren lässt. Aus der Schichtdickenabhängigkeit von d(001), dem mittleren out-of-plane Gitterparameter der Schicht, wird geschlossen, dass die Schichten auf den STO-Einkristallen Spannungsgradienten in den Schicht-normalen besitzen und an der Grenzfläche zum Substrat am stärksten verspannt sind. Die (111) orientierten Multilagen auf den STO-Einkristallen zeigen gegenüber den Schichten auf den (100) orientierten STO-Einkristallen eine deutlich erhöhte Interfacerauhigkeit. Vermutet wird, dass dies einerseits durch die andere kristallographische Orientierung der Wachstumsnormalen bedingt ist, weil damit jeweils keine geschlossenen SrO- bzw. BaO- und TiO3-Lagen ausgebildet werden. Andererseits zeigen die TEM-Aufnahmen eine deutliche Zunahme der Welligkeit der Einzellagen mit wachsendem Abstand vom Substrat, die rein mechanischen Effekten zugeschrieben wird. Die Verwölbung der Einzellagen könnte damit der Reduzierung der mechanischen Energie innerhalb des Systems dienen, wobei die Netzebenen dem Verlauf der Einzellagen folgen. Auf platinbeschichteten Siliziumsubstraten konnten erstmals phasenreine (111) fasertexturierte Mischschichten und BTO/STO-Multilagen abgeschieden werden. Grundlage hierfür war die Optimierung des Pt/Ti/SiO2/Si Schichtsystems hinsichtlich seiner thermischen Stabilität bis zu 800°C. Die Textur der Schichten wird von der Platingrundelektrode übernommen und deren Rauhigkeit teilweise verstärkt. Eine mechanische Verwölbung der Einzellagen konnte hier nicht beobachtet werden. Für die elektrischen Messungen wurden auf allen Schichten etwa 50 nm dicke Platinelektroden durch eine Hartmaske mittels Elektronenstrahlverdampfung im Hochvakuum bei etwa 300°C aufgebracht. Anschließend wurden die Schichten an Luft getempert, um das Sauerstoffdefizit, dass sich bei der Elektrodenabscheidung einstellt, auszugleichen. Die elektrischen Messungen zeichnen sich durch den sehr großen untersuchten Temperaturbereich aus. Temperaturabhängige Messungen im Bereich von 30-600 K finden sich für ferroelektrische Dünnschichten sehr selten in der Literatur und stellen für BTO/STO-Multilagen ein Novum dar. Auch die biasabhängige und teilweise auch temperaturabhängige Messung der Kapazität der Multilagen (C-V-Messungen) ist bisher einmalig. Durch die temperaturabhängigen Hysteresemessungen wurden Einblicke in den elektrischen Polungszustand der Schichten erhalten. Dadurch wird eine sinnvolle Interpretation der ε(T)-Kurven erst möglich. Der Vorteil der Integration des Polarisationsstromes unter Verwendung einer Dreieckspannung als Messsignal besteht in der direkten physikalischen Aussage der Strom-Spannungskurven über die Schaltspannung der Schichten.

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Litiumjon-batterier har blivit väldigt populära för tillämpning i fordon. Den här teknologin har fler olika kemier att erbjuda som kontinuerligt förbättras. Litium-titanat-oxid-batterier använder (LTO) LTO som anod och erbjuder långt cyklingsliv samt minskar risk för SEI-bildning och litiumplätering.  Det här examensarbetet siktade på att undersöka om LTO-batterier kan användas som startbatterier i kommersiella fordon. Metodologin inkluderade två motorstart försök med en kommersiell 12s1p LTO-modul, laddnings/urladdningtester med en kommersiell LTO-cell med nominell spänning 2.3V samt överurladdningstester med byggda pouchceller. Materialet för pouchceller extraherades från en kommersiell LTO-cell och sedan studerades med SEM-EDX före och efter överurladdningstesterna. Resultatet visade att LTO-batterier kan användas som startbatterier i en diesel V8 motor även vid 39%SoC. Dessutom visade simuleringar att LTO-batterier kan användas inom Kinetic Energy Recovery System (KERS) tillämpning och behålla 60% SoC efter 500 laddning/urladdnings cykler. Resultaten från både KERS och motorstarterna visade att LTO är en lovande kandidat för ersättning av blybatterier. Laddnings/urladdnings tester visade att en kommersiell 12s1p LTO modul kan maximalt uppnå 73%SoC när den laddas med fordon-liknande strömmar. Däremot var SoC oberoende av laddningsström. Överurladdningstester med pouchceller visade att det är relativt ofarligt att urladda LTO 0.4V under spänningsgränsen utan stora ökningar i impedans eller stor kapacitetsförlust. Största förluster kopplades till åldring av NMC-baserade positiva elektroden. / Lithium ion batteries have become quite popular in vehicle applications in the past few decades. This technology offers multiple chemistries to choose from, that are continuously studied and improved. Lithium-titanate-oxide (LTO) batteries use LTO material as an anode, providing long cycling life, as well as essentially eliminating risk for SEI formation and lithium plating.  This Master thesis project aimed to investigate how well LTO-based lithium-ion batteries can perform in Start Ignition Lighting (SLI) application in commercial vehicles. The methodology included two engine crank tests with a commercial 12s1p LTO module, charge/discharge tests on a commercial LTO cell with nominal voltage 2.3V, as well as overdischarge cycling tests on assembled pouch cells. The materials for the pouch cells were extracted from a commercial LTO cell and later analysed with SEM-EDX before and after overdischarge tests. The results demonstrated that LTO-based Li-ion batteries can be successfully start a diesel V8 engine even at 39% SoC. Furthermore, when simulating an urban vehicle with an implemented Kinetic Energy Recovery System (KERS) application, a commercial cell LTO cell achieved and retained around 60\%SoC throughout 500 charge/discharge cycles. Combined results from KERS and engine start tests imply that LTO is a strong candidate for replacing lead-acid in these applications. Charge/discharge tests showed that commercial 12s1p LTO cell can maximum reach around 73%SoC when charged in a vehicle-like way. However, this maximum SoC limit was more or less independent of applied charging current. Furthermore, electrochemical overdischarge tests on the pouch cells demonstrated that it is relatively safe to overdischarge the cell 0.4V below the specified safety limit without significant rise in impedance or capacity fade. Major performance losses were attributed to the aging of the NMC-based positive electrode.

L’amélioration des systèmes électroniques pour le déploiement de l'avion tout électrique dépend de la capacité des composants passifs, tels que les condensateurs, à réduire leur volume, leur masse et leur coût, et augmenter leurs performances et leur fiabilité, particulièrement dans l’environnement aéronautique. Dans ce contexte, cette thèse a eu pour objectif l’étude et le développement de nouvelles technologies de condensateurs pour des applications avioniques. Dans la première partie des travaux, nous abordons l’évaluation de condensateurs céramique de puissance. La technologie céramique constitue, en effet, l’une des rares solutions matures capables de répondre aux exigences des équipementiers. La caractérisation, l’analyse des mécanismes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC) ainsi que l’étude de fiabilité et de robustesse de composants commerciaux présentant des architectures originales (condensateurs multi-chips) ont été réalisées. Ces résultats ont été complétés par une étude plus amont sur la caractérisation de céramiques frittées par frittage flash (SPS). Les permittivités colossales de ces matériaux permettraient d’accroitre la fiabilité et la miniaturisation des condensateurs tout en conservant de fortes valeurs de capacité et de tension nominale. La seconde partie, plus fondamentale, a été consacrée au développement de nanoparticules céramique/polymère coeur-écorce pour des applications de condensateurs enterrés, opérant aux radiofréquences. La synthèse et les caractérisations physico-chimiques des nanocomposites ainsi que les procédés de fabrication de condensateurs en couches épaisses sont, en premier lieu, décrits. Une méthode de caractérisation électrique large bande a été mise au point pour permettre l’analyse des propriétés diélectriques et des mécanismes de conduction des nanoparticules. Les performances des dispositifs ont été recherchées en fonction de la température et des procédés de mise en forme. En outre, la durabilité en température de ces derniers a été évaluée. / The improvement of electronic systems for the deployment of all-electric aircrafts depends on the ability of passive components, such as capacitors, to reduce their volume, weight and cost, and to increase their performance and reliability, particularly in the aeronautical environment. In this context, the objective of this thesis was to study and develop novel capacitor technologies for avionics. In the first part of this work, the evaluation of power ceramic capacitors has been discussed. Indeed, the ceramic technology appeared to be one of the few mature solutions meeting the requirements of OEMs. The characterization, the failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) and reliability and robustness assessment of commercial components using original architectures (multi-chip capacitors) have been performed. These results have been completed by a more advanced study on the characterization of new ceramics sintered by spark plasma sintering (SPS). The colossal permittivity of these materials could allow to increase reliability and miniaturization of capacitors while maintaining high values of capacitance and voltage rating. The second part, more fundamental, is devoted to the development of core-shell ceramic/polymer nanoparticles for embedded capacitors operating at radiofrequencies. The synthesis and the physicochemical characterization of the nanocomposites as well as the manufacturing processes of the thick film capacitors are first described. A new broadband electrical characterization methodology has been developed to analyze the dielectric properties and the conduction mechanisms of the nanoparticles. The effects of the temperature and the manufacturing process on the device performance have been investigated. In addition, the durability was evaluated.

Zur Messung pyrelektrischer Koeffzienten wurde ein Messplatz nach einem erweiterten SHARP-GARN-Verfahren entwickelt und zur Untersuchung von Phasenumwandlungen in Pyroelektrika eingesetzt. Einerseits konnten pyroelektrische Messungen im elektrischen Feld die Pyroelektrizität einer neuen durch elektrisch angetriebene Defektmigration erzeugten Phase in Strontiumtitanat nachweisen. Andererseits gelang es, Ferroelektrizität in der Hochtemperaturphase von Poly(Vinylidenfluorid-Trifluorethylen), mittels phasenreiner Präparation der Hochtemperaturphase unterhalb der CURIEtemperatur und anschließender Polarisierung, nachzuweisen. Ferner ließen sich mittels thermisch angeregter Pyroelektrika Redoxprozesse antreiben, was durch Desinfektion von Escherichia coli Bakterien in wässriger Lösung mittels Lithiumniobat und -tantalat gezeigt wurde. Die Hypothese der Desinfektion durch reaktive Sauerstoffspezies konnte durch spektroskopisch nachgewiesene OH-Radikale - erzeugt mittels thermisch angeregter Bariumtitanatnanopartikel - belegt werden.

The present research work mainly focuses on the fabrication and characterization of single and multilayer thin films based on Bismuth Vanadate (BVO) and Bismuth Titanate (BTO). The multi-target laser ablation technique was used to fabricate single layer thin films of BVO, BVN and BTO; and multilayers composed of BVO and BTO in different structures. The fabricated thin films exhibited dense microstructure and a sharp interface with the substrate. The lattice strain, surface roughness and grain size could be varied as functions of composition and individual layer thickness in different structure fabricated. The optical properties were studied by spectroscopic ellipsometry and optical transmission spectra. The various models that were used for ellipsometric data analysis gave an excellent fitting to the experimental data. The optical constants were determined through multilayer analyses of the films. The band gap of these films was studied by spectroscopic ellipsometry and optical transmission. The optical studies carried out on BVO-BTO bilayer indicated the presence of an interfacial layer in between the BVO and BTO layer, whose refractive index was different from that of the individual layers and is attributed to different nature of the interfacial layer. The ferroelectric nature of BVO films was confirmed by P-E hysteresis loop studies under different applied fields and at various probing frequencies. The same was corroborated via the C-V measurements of these BVO films which exhibited butterfly shaped C-V characteristics. Fatigue studies in these films indicated that the switchable polarization is essentially constant through 105 cycles, after which it starts increasing probably due to the ionic conduction in BVO thin films. The dielectric response of undoped and Nb doped BVO as well as BVBT ML thin films were studied over a wide range of temperatures. The BVO films exhibited remarkable dielectric dispersion at low frequencies especially in the high temperature regime. Further, the frequency and temperature dependence of the dielectric, impedance, modulus and conductivity spectra of these films were investigated in detail. The ac conductivity was found to obey well the double power law in case of ML, indicating the different contributions to the conductivity, the low frequency conductivity being due to the short range translational hopping and the high frequency conductivity is due to the localized or reorientational hopping motion. DC leakage conduction in BVO, BVN and BVBT ML thin films was studied over a wide range of temperatures and applied electric fields. The experimental data were analyzed in light of different models to investigate the dc conduction mechanism in these films which were broadly classified into electrode limited and bulk limited conduction processes. In the case of BVO thin films the dc leakage current exhibited an ohmic nature at low electric fields followed by an onset of the space charge limited conduction (>1). Further in case of BVN films, three distinct regions were observed in I-V characteristics signifying different types of conduction processes in these films. In case of BVBT ML thin films, bulk limited PF mechanism was found to determine the conduction behavior at moderate electric fields. At higher electric fields, a trap filled region was observed which was followed by SCL conduction at higher fields. Therefore the present observation indicates the presence of more than one bulk limited conduction process in BVBT ML thin films. BVO thin films exhibiting good structure and dense morphology were successfully prepared on p-type Si by chemical solution decomposition technique. The C-V characteristics were evaluated for Au/BVO/Si MFS structure which showed a typical high frequency feature of a conventional MFIS structure.