Hafnium oxide is widely used for resistive switching devices, and recently it has been discovered that ferroelectricity can be established in (un-)doped hafnium oxide as well. Previous studies showed that both switching mechanisms are influenced by oxygen vacancies. For resistive switching, typically amorphous oxide layers with an asymmetric electrode configuration are used to create a gradient of oxygen vacancies. On the other hand, ferroelectric switching is performed by having symmetric electrodes and requires crystalline structures. The coexistence of both effects has recently been demonstrated. In this work, a detailed analysis of the reversible interplay of both switching mechanisms within a single capacitor cell is investigated. First, ferroelectric switching cycles were applied in order to drive the sample into the fatigued stage characterized by increased concentration of oxygen vacancies in the oxide layer. Afterwards, a forming step that is typical for the resistive switching devices was utilized to achieve a soft breakdown. In the next step, twofold alternation between the high and low resistance state is applied to demonstrate the resistive switching behavior of the device. Having the sample in the high resistance state with a ruptured filament, ferroelectric switching behavior is again shown within the same stack. Interestingly, the same endurance as before was observed without a hard breakdown of the device. Therefore, an effective sequence of ferroelectric—resistive—ferroelectric switching is realized. Additionally, the dependence of the forming, set, and reset voltage on the ferroelectric cycling stage (pristine, woken-up and fatigued) is analyzed giving insight into the physical device operation.

Transient negative capacitance effects in epitaxial ferroelectric Pb(Zr₀.₂Ti₀.₈)O₃ capacitors are investigated with a focus on the dynamical switching behavior governed by domain nucleation and growth. Voltage pulses are applied to a series connection of the ferroelectric capacitor and a resistor to directly measure the ferroelectric negative capacitance during switching. A time-dependent Ginzburg-Landau approach is used to investigate the underlying domain dynamics. The transient negative capacitance is shown to originate from reverse domain nucleation and unrestricted domain growth. However, with the onset of domain coalescence, the capacitance becomes positive again. The persistence of the negative capacitance state is therefore limited by the speed of domain wall motion. By changing the applied electric field, capacitor area or external resistance, this domain wall velocity can be varied predictably over several orders of magnitude. Additionally, detailed insights into the intrinsic material properties of the ferroelectric are obtainable through these measurements. A new method for reliable extraction of the average negative capacitance of the ferroelectric is presented. Furthermore, a simple analytical model is developed, which accurately describes the negative capacitance transient time as a function of the material properties and the experimental boundary conditions.

Manifold research has been done to understand the detailed mechanisms behind the performance instabilities of ferroelectric capacitors based on hafnia. The wake-up together with the imprint might be the most controversially discussed phenomena so far. Among crystallographic phase change contributions and oxygen vacancy diffusion, electron trapping as the origin has been discussed recently. In this publication, we provide evidence that the imprint is indeed caused by electron trapping into deep states at oxygen vacancies. This impedes the ferroelectric switching and causes a shift of the hysteresis. Moreover, we show that the wake-up mechanism can be caused by a local imprint of the domains in the pristine state by the very same root cause. The various domain orientations together with an electron trapping can cause a constriction of the hysteresis and an internal bias field in the pristine state. Additionally, we show that this local imprint can even cause almost anti-ferroelectric like behavior in ferroelectric films.

The Rayleigh law describes the linear dependence of the permittivity of a ferroelectric on the applied ac electric field amplitude due to irreversible motions of domain walls. We show that this gives rise to a new equivalent-circuit element predestined to fit the impedance spectra of ferroelectrics based on an accepted physical model. Such impedance spectroscopy is a powerful tool to obtain a dielectric and resistive representation of the entire sample structure. The superiority of the Rayleigh analysis based on impedance spectroscopy compared to the common single-frequency approach is demonstrated for a ferroelectric Si : HfO₂ thin film

Die dielektrischen Eigenschaften, also die Interaktion mit elektrischen Feldern, sind ein wichtiger Qualitätsparameter der Matrix in Faserverbundmaterialien und allgemein in Harzen. Sie werden bisher mit Hilfe von kapazitiven Verfahren oder Hochfrequenzverfahren wie z. B. der Mikrowellentechnik gemessen. Allerdings können beide Verfahren nicht an elektrisch leitfähigen Materialien wie Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt werden und auch bei der Anwendung der Methoden an Kunststoffen oder elektrisch isolierenden Faserverbundmaterialien gibt es Nachteile. So benötigt die kapazitive Messtechnik meist eine spezielle Probenpräparation für quantitative Messungen und erreicht eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung beim Permittivitätsmapping. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Untersuchung einer alternativen, in diesem Kontext neuen Methode zur Charakterisierung dielektrischer Eigenschaften: Die Hochfrequenzwirbelstrommesstechnik, welche bisher zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität genutzt wird, wird theoretisch und praktisch hinsichtlich ihres Anwendungspotentials zur Permittivitätsmessung an Epoxidharzen und Faserverbundwerkstoffen diskutiert. Dabei werden zuerst Grundlagen wie Anwendungsfelder für die Nutzung dielektrischer Eigenschaften von Harzen und Verbundwerkstoffen zur Qualitätssicherung bzw. gängige Messverfahren erläutert. Anschließend wird theoretisch gezeigt, warum dielektrische Eigenschaften auf das Hochfrequenzwirbelstrom (HFWS)-Signal wirken. Dabei werden sowohl die Maxwell-Gleichungen genutzt, als auch Finite Elemente (FE)-Simulationen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt dann auf der experimentellen Untersuchung der Permittivitätsmessung mittels HFWS. Es werden verschiedene Anwendungsfälle betrachtet: von zeitlich kontinuierlichen Permittitivitätsänderungen (am Beispiel der Aushärtung von Epoxidharzen), über lokale Permittivitätsabweichungen (in Folge von Defekten, Textureigenschaften oder thermischen Überlasten) bis hin zu quantitativen Permittivitätsmessungen (zur Materialcharakterisierung bzw. Alterungsuntersuchung). Dabei kann gezeigt werden, dass es möglich ist, die Permittivität von Faserverbundwerkstoffen und Epoxidharzen mittels HFWS zu charakterisieren, selbst wenn das zu prüfende Material elektrisch nicht leitfähig ist.

Die dielektrischen Eigenschaften, also die Interaktion mit elektrischen Feldern, sind ein wichtiger Qualitätsparameter der Matrix in Faserverbundmaterialien und allgemein in Harzen. Sie werden bisher mit Hilfe von kapazitiven Verfahren oder Hochfrequenzverfahren wie z. B. der Mikrowellentechnik gemessen. Allerdings können beide Verfahren nicht an elektrisch leitfähigen Materialien wie Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt werden und auch bei der Anwendung der Methoden an Kunststoffen oder elektrisch isolierenden Faserverbundmaterialien gibt es Nachteile. So benötigt die kapazitive Messtechnik meist eine spezielle Probenpräparation für quantitative Messungen und erreicht eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung beim Permittivitätsmapping. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Untersuchung einer alternativen, in diesem Kontext neuen Methode zur Charakterisierung dielektrischer Eigenschaften: Die Hochfrequenzwirbelstrommesstechnik, welche bisher zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität genutzt wird, wird theoretisch und praktisch hinsichtlich ihres Anwendungspotentials zur Permittivitätsmessung an Epoxidharzen und Faserverbundwerkstoffen diskutiert. Dabei werden zuerst Grundlagen wie Anwendungsfelder für die Nutzung dielektrischer Eigenschaften von Harzen und Verbundwerkstoffen zur Qualitätssicherung bzw. gängige Messverfahren erläutert. Anschließend wird theoretisch gezeigt, warum dielektrische Eigenschaften auf das Hochfrequenzwirbelstrom (HFWS)-Signal wirken. Dabei werden sowohl die Maxwell-Gleichungen genutzt, als auch Finite Elemente (FE)-Simulationen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt dann auf der experimentellen Untersuchung der Permittivitätsmessung mittels HFWS. Es werden verschiedene Anwendungsfälle betrachtet: von zeitlich kontinuierlichen Permittitivitätsänderungen (am Beispiel der Aushärtung von Epoxidharzen), über lokale Permittivitätsabweichungen (in Folge von Defekten, Textureigenschaften oder thermischen Überlasten) bis hin zu quantitativen Permittivitätsmessungen (zur Materialcharakterisierung bzw. Alterungsuntersuchung). Dabei kann gezeigt werden, dass es möglich ist, die Permittivität von Faserverbundwerkstoffen und Epoxidharzen mittels HFWS zu charakterisieren, selbst wenn das zu prüfende Material elektrisch nicht leitfähig ist.