The present research work mainly focuses on the fabrication of 0.85PMN-0.15PT thin film relaxor ferroelectrics for energy harvesting applications. Chapter 1 gives a brief review about why energy harvesting is required and the different ways it can be scavenged. An introduction to relaxor ferroelectrics and their characteristics structural features are discussed. A brief introduction is given about charge storage, electrocaloric effect , DC-EFM and integration over Si substrate is discussed. Finally, the specific objectives of the current research are outlined. Chapter 2 deals with the various experimental studies carried out in this research work. It gives the details of the experimental set up and the basic operation principles of various structural and physical characterizations of the materials prepared. A brief explanation of material fabrication, Microstructural and physical property measurements is discussed. Chapter3 involves the optimization process carried out to contain a phase pure PMN-PT structure without any pyrochlore phase. The optimization process is an important step in the fabrication of a thin film as the quality of any device is determined by their structural and Microstructural features. XRD, SEM, AFM were used to characterize the observed phase formation in these films. The optimizing domain images of polycrystalline 0.85PMN-0.15PT thin films on La0.5Sr0.5CoO3/ (111) Pt/TiO2/SiO2/Si substrates deposited at different oxygen partial pressures are presented. The oxygen pressure has a drastic influence on the film growth and grain morphology which are revealed through XRD and SEM characterization techniques. The presence of oxygen vacancies have found to influence the distribution of polar nanoregions and their dynamics which are visualized using domain images acquired by DC-EFM In Chapter 7 the piezoelectric response of 0.85PMN-0.15PT thin films are studied due to the electric field induced bias. From this the d33 value is calculated. d33 value is an important parameter which determines whether a material is suitable for device application (PZT). But, for a device fabrication it is important to integrate them with Si wafer which is not a straightforward work .Hence, buffer layers are used to obtain a pure perovskite PMN-PT film. We have deposited 0.85PMN-0.15PT thin films of 500 nm on a SOI wafer and tried to investigate their piezoelectric application. Chapter 8 summarizes the present study and discusses about the future work that could give more insight into the understanding of the0.85PMN-0.15 PT relaxor ferroelectric thin film.

This thesis reports the inspection and manipulation of thin ferroelectric films of lead titanate (PbTiO3 : PTO), lead zirconium titanate (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT), and barium titanate (BaTiO3 : BTO) by means of scanning force microscopy - specifically Piezoresponse and Kelvin-Probe. The film thickness of the investigated samples ranged between 50nm and 800nm. This experimental work focussed on the following issues: native domain structures, creation of domains by short voltage pulses and area-switching with the force microscope, local qualitative and quantitative measurements of the ferroelectric hysteresis loops, and investigations at the interface between film and platinum-electrode in the PZT/Pt-System. Lamellar domain structures were visualized with high lateral resolution of 5nm on the surface of the PTO-samples, whereas the PZT- and BTO-samples showed prepolarisation and no domains. In the switching experiments a pronounced thickness dependence was found and partly a good agreement to macroscopic measurements. For BTO-films of 50nm and 125nm thickness no stable switching of polarisation could be observed. Using appropriate preparation methods it was possible to provide evidence of a 200nm thick interface layer with reduced polarisation above the electrode in the PZT/Pt-system. / Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung dünner ferroelektrischer Schichten von Bleititanat (PbTiO3 : PTO), Bleizirkoniumtitanat (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT) und Bariumtitanat (BaTiO3 : BTO) und deren Manipulation auf der sub-µm-Skalamittels Rasterkraftmikroskopie. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von 50nm bis 800nm. Zum Einsatz kamen die Meßmodi Piezoresponse und Kelvin-Sonde. Die experimentelle Arbeit erstreckte sich über die Abbildung von Domänenstrukturen, die Erzeugung von Domänen durch kurze Spannungspulse und flächiges Umschalten mit dem Kraftmikroskop, lokale qualitative und quantitative Messungen der ferroelektrischen Hysterese, sowie Untersuchungen an der Grenzschicht zwischen Film und Platin-Elektrode am PZT/Pt-System. Lamellenartige Domänenstrukturen konnten mit hoher lateraler Auflösung von 5nm auf der Oberfläche von PTO abgebildet werden. Die PZT- und BTO-Proben waren vorpolarisiert und es ließen sich keine Domänen nachweisen. Bei den Schaltversuchen wurde eine ausgeprägte Schichtdickenabhängigkeit der Koerzitivfeldstärken und teilweise gute Übereinstimmung mit makroskopischen Messungen gefunden. Für dünne BTO-Schichten von 50nm und 125nm Dicke konnte kein stabiles Umschalten der Polarisation gezeigt werden. Mittels geeigneter Präparation der PZT/Pt-Grenzschicht konnte durch direkte Messung eine Schicht von 200nm Dicke mit verminderter Polarisation oberhalb der Elektrode nachgewiesen werden.

Das Ziel dieser Arbeit ist die optische Untersuchung von ferroelektrischen Domänen und Domänenwänden auf lokaler Skala. Dafür wurden neuartige nichtinvasive Ansätze entwickelt, die auf der Anwendung optischer Rastersondenmikroskopie basieren. Die untersuchten Schlüsseleigenschaften umfassen den elektrooptischen Effekt für verschiedene Domänenorientierungen und die Brechungindexänderungen an Domänenwänden an Bariumtitanat-Einkristallen. Die lokale Messung der elektrooptischen Eigenschaften wurde mit räumlich stark begrenzten elektrischen Feldern durchgeführt, die mittels elektrisch leitfähigen Spitzen angelegt wurden. Dieser experimentelle Ansatz erlaubt nicht nur die Messung verschiedener elektrooptischer Koeffzienten, sondern auch die Unterscheidung von allen auftretenden, auch antiparallelen, Domänenausrichtungen. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes mittels der gleichen Spitze konnte auch das ferroelektrische Schalten mit dieser optischen Methode untersucht werden. Die Experimente wurden durch eine numerische Modellierung der elektrischen Feldverteilung und der resultierenden elektrooptischen Antwort begleitet. Die Ergebnisse der Modellierung sind dabei in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt auch die Trennung von Beiträgen verschiedener elektrooptischer Koeffzienten und den entsprechenden Feldkomponenten. ür die experimentelle Untersuchung von den theoretisch vorhergesagten Brechungsindexprofilen einzelner Domänenwände, wurde die Sensitivität der optischen Sonde auf lokale Änderungen des Brechungsindex mittels Polarisations- und Positionsmodulation erhöht. Obwohl die Abbildung einer einzelnen Domänenwand nicht gelang, konnte damit zumindest eine obere Grenze für den optischen Effekt einer Domänenwand experimentell gewonnen werden, welche verträglich mit den theoretischen Vorhersagen ist. / The goal of this thesis is the optical investigation of ferroelectric domains and domain walls at the very local scale. For that, novel noninvasive approaches based on optical scanning probe microscopy are developed. The key properties investigated are the electrooptic effect for different domain orientations and refractive-index changes at single domain walls of barium titanate single crystals. The local probing of the electro-optic response is performed with strongly confined electric fields, applied via a conductive tip. With this approach we can not only probe different electro-optic coeffcients, but also identify all occurring domain orientations, even antiparallel ones. The application of additional bias fields by the same tip is used to investigate ferroelectric switching and domain growth by optical means. The experiments are supported by numerical modelling of the electric-field distribution and the resulting electro-optic response. The modelling shows excellent agreement with the measurements, and allows us to separate the contributions of different electro-optic coeffcients and their associated electric-field components. For the experimental observation of the theoretically predicted refractive-index profiles at single ferroelectric domain walls, polarization and position modulation of the optical probe is used to obtain high sensitivity to local modifications of the refractive index. An upper limit to the optical effect to the optical effect of a single domain wall is deduced from the experiment, which is compatible with the effect predicted by theory.

In this dissertation, BaTiO3 nanocrystals, Bi4Ti3O12 nanostructured microspheres, and cosubstituted Bi4Ti3O12 nanoparticles and ceramics were prepared using solvothermal, hydrothermal and citrate-gel methods. The ferroelectric properties of the prepared cosubstituted Bi4Ti3O12 ceramics were studied using P–E hysteresis loop, leakage, and polarization fatigue measurements. A two-phase solvothermal synthesis approach for the preparation of hydrophobic BaTiO3 nanocrystals was developed. The two-phase method is based on the growth of nanocrystals at the oil/water interface by the reaction between metal surfactant complexes in the oil phase and a mineralizer in the water phase. Three kind of organic solvents, hexadecene, toluene, and heptane were used as the oil phase and compared to each other with respect to the product quality. The BaTiO3 particles are crystalline with a mean size of 3.7 nm and can be dispersed in a variety of organic solvents forming highly transparent dispersions. A hydrothermal method was developed for the synthesis of Bi4Ti3O12 nanostructured microspheres consisting of granular nanoparticles and nano-platelets. The precursor powder was prepared using a diethylene glycol mediated coprecipitation method. Tailoring of the morphology was achieved by changing the precursor quantity, sodium hydroxide concentration, and reaction time. The formation mechanism of the nanostructured microspheres probably involves aggregation, followed by dissolution and recrystallization. Bi3.25Pr0.75Ti2.97V0.03O12 (BPTV) and Bi3.25La0.75Ti3-xMxO12, (BLTMx, M = Mo, W, Nb, V, x = 0.0–0.12) ferroelectric nanoparticles and ceramics were synthesized using a modified citrate-gel method that has a crystallization temperature as low as 450 °C. The synthesized nanoparticles were spherical ranging from 30 to 100 nm. Except Nb5+, other donor cations were introduced using the corresponding oxides that have advantages in terms of high purity, low cost, and availability. The Bi3.25Pr0.75Ti2.97V0.03O12 ceramic is orthorhombic and its 2Pr and 2Ec values measured at 300 kV/cm were 35 μC/cm2 and 148 kV/cm respectively. The texture, microstructure, and ferroelectric properties of the prepared Bi3.25La0.75Ti3-xMxO12, (BLTMx, M = Mo, W, Nb, V, x = 0.0–0.12) ceramics depend on x. The maximum 2Pr (30–32 μC cm−2) was achieved at an optimum cosubstitution level (x = 0.025 for M6+, x = 0.03 for M5+). The high remanent polarization, low leakage current, and low polarization fatigue render the prepared ceramics promising for practical applications.

The change of the spontaneous polarization due to a change of temperature is known as the pyroelectric effect and is restricted to crystalline, non-centrosymmetric and polar matter. Its main application is the utilization in infrared radiation sensors, but usage for waste heat energy harvesting or chemical catalysis is also possible. A precise quantification, i.e. the measurement of the pyroelectric coefficient p, is inevitable to assess the performance of a material. Hence, a comprehensive overview is provided in this work, which summarizes and evaluates the available techniques to characterize p. A setup allowing the fully automated measurement of p by utilizing the Sharp-Garn method and the measurement of ferroelectric hysteresis loops is described. It was used to characterize and discuss the behavior of p with respect to the temperature of the doped bulk III-V compound semiconductors gallium nitride and aluminum nitride and thin films of doped hafnium oxide, as reliable data for these materials is still missing in the literature. Here, the nitride-based semiconductors show a comparable small p and temperature dependency, which is only slightly affected by the incorporated dopant, compared to traditional ferroelectric oxides. In contrast, p of HfO2 thin films is about an order of magnitude larger and seems to be affected by the present dopant and its concentrations, as it is considered to be responsible for the formation of the polar orthorhombic phase.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgments / Die Änderung der spontanen Polarisation durch eine Änderung der Temperatur ist bekannt als der pyroelektrische Effekt, welcher auf kristalline, nicht-zentrosymmetrische und polare Materie beschränkt ist. Er findet vor allem Anwendung in Infrarot-Strahlungsdetektoren, bietet aber weitere Anwendungsfelder wie die Niedertemperatur-Abwärmenutzung oder die chemische Katalyse. Eine präzise Quantifizierung, d. h. die Messung des pyroelektrischen Koeffizienten p, ist unabdingbar, um die Leistungsfähigkeit eines Materials zu bewerten. Daher bietet diese Arbeit u.a. einen umfassenden Überblick und eine Bewertung der verfügbaren Messmethoden zur Charakterisierung von p. Weiterhin wird ein Messaufbau beschrieben, welcher die voll automatisierte Messung von p mit Hilfe der Sharp-Garn Methode und auch die Charakterisierung der ferroelektrischen Hystereseschleife ermöglicht. Aufgrund fehlerender Literaturdaten wurde dieser Aufbau anschließend genutzt, um den temperaturabhängigen pyroelektrischen Koeffizienten der dotierten III-V-Verbindungshalbleiter Gallium- und Aluminiumnitrid sowie dünner Schichten bestehend aus dotiertem Hafniumoxid zu messen und zu diskutieren. Im Vergleich zu klassichen ferroelektrischen Oxiden zeigen dabei die nitridbasierten Halbleiter einen geringen pyroelektrischen Koeffizienten und eine kleine Temperaturabhängigkeit, welche auch nur leicht durch den vorhandenen Dotanden beeinflusst werden kann. Dagegen zeigen dünne Hafniumoxidschichten einen um eine Größenordnung größeren pyroelektrischen Koeffizienten, welcher durch den anwesenden Dotanden und seine Konzentration beeinflusst wird, da dieser verantwortlich für die Ausbildung der polaren, orthorhombischen Phase gemacht wird.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgments

Single self-assembled semiconductor quantum dots (QDs) are able to emit single-photons and entangled-photons pairs. They are therefore considered as potential candidate building blocks for quantum information processing (QIP) and communication. To exploit them fully, the ability to precisely control their optical properties is needed due to several reasons. For example, the stochastic nature of their growth ends up with only little probability of finding any two or more QDs emitting indistinguishable photons. These are required for two-photon quantum interference (partial Bell-state measurement), which lies at the heart of linear optics QIP. Also, most of the as-grown QDs do not fulfil the symmetries required for generation of entangled-photon pairs. Additionally, tuning is required to establish completely new systems, for example, 87Rb atomic-vapors based hybrid semiconductoratomic (HSA) interface or QDs with significant heavy-hole (HH)-light-hole (LH) mixings. The former paves a way towards quantum memories and the latter makes the optical control of hole spins much easier required for spin- based QIP. This work focuses on the optical properties of a new type of QDs optimized for HSA experiments and their broadband tuning using strain. It was created by integrating the membranes, containing QDs, onto relaxor-ferroelectric actuators and was quantified with a spatial resolution of ~1 µm by combining measurements of the µ-photoluminescence of the regions surrounding the QDs and dedicated modeling. The emission of a neutral exciton confined in a QD usually consists of two fine-structure-split lines which are linearly polarized along orthogonal directions. In our QDs we tune the emission energies as large as ~23meV and the fine-structure-splitting by more than 90 µeV. For the first time, we demonstrate that strain is able to tune the angle between the polarization direction of these two lines up to 40° due to increased strain-induced HH-LH mixings up to ~55%. Compared to other quantum emitters, QDs can be easily integrated into optoelectronic devices, which enable, for example, the generation of non-classical light under electrical injection. A novel method to create sub-micrometer sized current-channels to efficiently feed charge carriers into single QDs is presented in this thesis. It is based on focused-laserbeam assisted thermal diffusion of manganese interstitial ions from the top GaMnAs layer into the underlying layer of resonant tunneling diode structures. The combination of the two methods investigated in this thesis may lead to new QDbased devices, where direct laser writing is employed to preselect QDs by creating localized current-channels and strain is used to fine tune their optical properties to match the demanding requirements imposed by QIP concepts.

The new class of fully silicon-compatible hafnia-based ferroelectrics with high switchable polarization and good endurance and thickness scalability shows a strong promise for new generations of logic and memory devices. Among other factors, their competitiveness depends on the power efficiency that requires reliable low-voltage operation. Here, we show genuine ferroelectric switching in HfₓZr₍₁₋ₓ₎ O₂ (HZO) layers in the application-relevant capacitor geometry, for driving signals as low as 800 mV and coercive voltage below 500 mV. Enhanced piezoresponse force microscopy with sub-picometer sensitivity allowed for probing individual polarization domains under the top electrode and performing a detailed analysis of hysteretic switching. The authentic local piezoelectric loops and domain wall movement under bias attest to the true ferroelectric nature of the detected nanodomains. The systematic analysis of local piezoresponse loop arrays reveals a totally unexpected thickness dependence of the coercive fields in HZO capacitors. The thickness decrease from 10 to 7 nm is associated with a remarkably strong decrease of the coercive field, with about 50% of the capacitor area switched at coercive voltages ≤0.5 V. Our explanation consistent with the experimental data involves a change of mechanism of nuclei-assisted switching when the thickness decreases below 10 nm. The practical implication of this effect is a robust ferroelectric switching under the millivolt-range driving signal, which is not expected for the standard coercive voltage scaling law. These results demonstrate a strong potential for further aggressive thickness reduction of HZO layers for low-power electronics.

Despite increasing attention for the recently found ferro- and antiferroelectric properties, the polymorphism in hafnia- and zirconia-based thin films is still not sufficiently understood. In the present work, we show that it is important to have a good quality X-ray absorption spectrum to go beyond an analysis of the only the first coordination shell. Equally important is to analyze both EXAFS and XANES spectra in combination with theoretical modelling to distinguish the relevant phases even in bulk materials and to separate structural from chemical effects. As a first step toward the analysis of thin films, we start with the analysis of bulk references. After that, we successfully demonstrate an approach that allows us to extract high-quality spectra also for 20 nm thin films. Our analysis extends to the second coordination shell and includes effects created by chemical substitution of Hf with Zr to unambiguously discriminate the different polymorphs. The trends derived from X-ray absorption spectroscopy agree well with X-ray diffraction measurements. In this work we clearly identify a gradual transformation from monoclinic to tetragonal phase as the Zr content of the films increases. We separated structural effects from effects created by chemical disorder when ration of Hf:Zr is varied and found differences for the incorporation of the substitute atoms between powders and thin films, which we attribute to the different fabrication routes. This work opens the door for further in-depth structural studies to shine light into the chemistry and physics of these novel ferroelectric thin films that show high application relevance.

Die Digitalisierung ist in vollem Gange. Viele Geräte werden intelligent, das heißt sie bekommen ein eigenes Rechenwerk und werden mit permanentem Internetzugang ausgestattet. Da viele dieser neuen intelligenten Geräte möglichst mobil sein sollen, werden neue energieeffiziente nichtflüchtige Halbleiterspeicher notwendig. Das hat zur Folge, dass großer Forschungsaufwand in die Entwicklung neuer Speicherkonzepte und der dafür notwendigen Materialien gesteckt wird. Daraus ergibt sich ein breites Forschungsfeld für zukünftige Speicherkonzepte. Hierfür wird versucht auf Grundlage von ferroelektrischen, magnetischen oder resistiven Materialeigenschaften neue Speicherbauelemente zu entwickeln und zur Anwendung zu bringen. Daraus folgten bereits Konzepte wie der magnetische RAM, der resistive RAM und der ferroelektrische RAM. Neue ferroelektrische Speicherkonzepte basierend auf Materialien mit Perowskitstruktur zeigten zwar viele positive Eigenschaften, konnten aber mangels ausreichender Skalierbarkeit keinen breiten Marktzugang finden. Die Entdeckung von Ferroelektrizität in dünnen dotierten HfO2-Schichten kann dieses Problem überwinden und ist dadurch für die weitere Entwicklung neuer Speicherkonzepte von großer Bedeutung. Das Mischoxid Hafniumdioxid-Zirkondioxid hat sich als eines der geeignetsten auf Hafniumdioxid basierenden ferroelektrischen Materialsysteme erwiesen. Gemein haben alle ferroelektrischen hafniumbasierten Schichten, dass die polare orthorhombische Kristallphase der Ursprung des ferroelektrischen Verhaltens ist. Das Verständnis der Phasenübergänge und der Phasenstabilisierung in dotiertem, ferroelektrischem HfO2 ist somit von entscheidender Bedeutung für zukünftige ferroelektrische Speicheranwendungen. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf die Stabilisierung der monoklinen, orthorhombischen und tetragonalen Kristallphasen und deren Auswirkung auf die ferroelektrischen Eigenschaften untersucht. Dafür werden detaillierte elektrische und strukturelle Untersuchungen an gesputterten und mit Atomlagenabscheidung hergestellten, dünnen HfO2- und Hf(1-x)Zr(x)O2-Schichten vorgenommen. Die Sauerstoffkonzentration wurde entweder direkt über die Prozessparameter während der Abscheidung oder nachträglich durch Änderung der Elektrodenstöchiometrie beeinflusst. Dadurch konnten Parameter gefunden werden, die die Stabilisierung der ferroelektrischen orthorhombischen Kristallphase positiv beeinflussen. Temperaturabhängige Untersuchungen erlaubten zusätzlich die nähere Betrachtung welcher Klasse von Ferroelektrika ferroelektrisches Hafniumdioxid zugeordnet werden kann. Für den orthorhombisch-tetragonalen Phasenübergang konnte ein Phasenübergang erster Ordnung mit kleiner Temperaturhysterese und einem Peak in der relativen Permittivität, in Übereinstimmung mit dem Curie-Weiss-Verhalten, beobachtet werden. Mit diesen und weiteren Beobachtungen kann HfO2 sehr wahrscheinlich der Klasse der echten Ferroelektrika zugeordnet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit schließen eine weitere Lücke im Verständnis der Ferroelektrizität in HfO2 und können ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Anwendung auf dem Massenmarkt sein.:Index I 1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 3 2.1 Ferroelektrizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 Thermodynamische Betrachtungen der Ferroelektrizität . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Preisach-Modell und das Auftreten ferroelektrischer Domänen . . . . . . . . . . 11 2.1.3 Reales ferroelektrisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 Ferroelektrizität in HfO 2 -basierten Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Ursachen der Ferroelektrizität in Hafniumdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Ferroelektrisches Verhalten dünner HfO 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Anwendungsmöglichkeiten ferroelektrischer Materialien . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.1 Speicheranwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.2 Weitere Anwendungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Probenherstellung und deren elektrische und strukturelle Charakterisierung 36 3.1 Prozessfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.1 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2 Sputterabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4 Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4 Stabilisierung der ferroelektrischen Phase in HfO 2 und der Einfluss der Sau- erstoffkonzentration 49 4.1 Undotiertes gesputtertes HfO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.1 Eigenschaften undotierter gesputterter HfO 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.2 Einfluss der Sauerstoffkonzentration während der Abscheidung auf die orthorhom- bische Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2 Zusammenspiel von Sauerstoffkonzentration und ZrO 2 -Konzentration . . . . . . 72 4.3 Einfluss von IrO 2 -Metalloxidelektroden auf die orthorhombische Phase der HfO 2 - Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5 Temperaturstabilität der ferroelektrischen Schichten 97 5.1 Einfluss der Ozondosiszeit auf mit Atomlagenabscheidung hergestellte Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 - Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2 Temperaturabhängige Phasentransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3 Klassifizierung von ferroelektrischem HfO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.4 Temperaturstabilität des Konditionierungseffekts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6 Zusammenfassung und Ausblick 127 Literaturverzeichnis XII Abbildungsverzeichnis XLII Tabellenverzeichnis LII A Abkürzungen und Formelzeichen LIII B Publikationsliste LVII C Danksagung LXII D Lebenslauf LXIV / Digitization is in full swing. Many prior offline devices are becoming smart devices with permanent internet access. Since many of these new smart devices are expected to be as mobile as possible, new energy-efficient non-volatile semiconductor memories are needed. As a consequence, a great effort of research is being put into the development of new memory concepts and the materials required for them. This results in the research field of emerging memories, which tries to develop and apply new memory concepts based on ferroelectric, magnetic or resistive material properties. Concepts such as magnetic RAM, resistive RAM and ferroelectric RAM followed. Ferroelectric memory concepts based on perovskite showed many positive properties, but could not find a broad market access due to a lack of sufficient scalability. The discovery of ferroelectricity in doped HfO2 thin films can overcome this problem and is thus of great importance for the further development of new memory concepts. The composition of hafnium dioxide and zirconium dioxide has proven to be one of the most suitable hafnium-based ferroelectric material systems. Common to all ferroelectric hafnium-based films is that the polar orthorhombic crystal phase is the origin of the ferroelectric behavior. Thus, understanding the phase transitions and stabilization in doped ferroelectric HfO2 is crucial for future ferroelectric memory applications. In this work, the influence of oxygen concentration on the stabilization of the monoclinic, orthorhombic and tetragonal crystal phase and its effect on the ferroelectric properties is investigated. For this purpose, detailed electrical and structural studies are performed on sputtered and atomic layer deposition prepared thin HfO2 and Hf(1-x)Zr(x)O2 films. The oxygen concentration was influenced either directly by the process parameters during deposition or subsequently by changing the electrode stoichiometry. Thus, parameters were found to positively influence the stabilization of the ferroelectric orthorhombic crystal phase. Temperature-dependent investigations additionally allowed a closer look at which class of ferroelectrics hafnium oxide-based ferroelectrics can be assigned to. For the orthorhombic-tetragonal phase transition, a first-order phase transition with small temperature hysteresis and a peak in relative permittivity, in agreement with the Curie-Weiss-behavior, could be observed. With these and other observations, HfO2 can most likely be assigned to the class of proper ferroelectrics. The results of this work fill another gap in the understanding of ferroelectricity in HfO2 and may be another step towards mass market applications.:Index I 1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 3 2.1 Ferroelektrizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 Thermodynamische Betrachtungen der Ferroelektrizität . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Preisach-Modell und das Auftreten ferroelektrischer Domänen . . . . . . . . . . 11 2.1.3 Reales ferroelektrisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 Ferroelektrizität in HfO 2 -basierten Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Ursachen der Ferroelektrizität in Hafniumdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Ferroelektrisches Verhalten dünner HfO 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Anwendungsmöglichkeiten ferroelektrischer Materialien . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.1 Speicheranwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.2 Weitere Anwendungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Probenherstellung und deren elektrische und strukturelle Charakterisierung 36 3.1 Prozessfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.1 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2 Sputterabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4 Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4 Stabilisierung der ferroelektrischen Phase in HfO 2 und der Einfluss der Sau- erstoffkonzentration 49 4.1 Undotiertes gesputtertes HfO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.1 Eigenschaften undotierter gesputterter HfO 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.2 Einfluss der Sauerstoffkonzentration während der Abscheidung auf die orthorhom- bische Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2 Zusammenspiel von Sauerstoffkonzentration und ZrO 2 -Konzentration . . . . . . 72 4.3 Einfluss von IrO 2 -Metalloxidelektroden auf die orthorhombische Phase der HfO 2 - Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5 Temperaturstabilität der ferroelektrischen Schichten 97 5.1 Einfluss der Ozondosiszeit auf mit Atomlagenabscheidung hergestellte Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 - Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2 Temperaturabhängige Phasentransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3 Klassifizierung von ferroelektrischem HfO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.4 Temperaturstabilität des Konditionierungseffekts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6 Zusammenfassung und Ausblick 127 Literaturverzeichnis XII Abbildungsverzeichnis XLII Tabellenverzeichnis LII A Abkürzungen und Formelzeichen LIII B Publikationsliste LVII C Danksagung LXII D Lebenslauf LXIV

Ce manuscrit est consacré à l’analyse théorique et expérimentale d’oxydes Ln2Ti2O7 (Ln = La, Nd, Sm, Gd) et BiFeO3.Les propriétés physiques de La2Ti2O7 et Nd2Ti2O7 ont été investiguées au moyen de calculs ab initio, confirmant ainsi leur ferroélectricité. D’autres oxydes de la famille Ln2Ti2O7, Sm2Ti2O7 et Gd2Ti2O7, ont ensuite été étudiés selon les mêmes méthodes théoriques. Nos calculs ont révélé une meilleure amplitude de polarisation pour ces composés par rapport au La2Ti2O7 et au Nd2Ti2O7. La deuxième partie de ce travail est consacrée aux propriétés structurales, électroniques et ferroélectriques du BiFeO3. L’évolution de ses propriétés lorsqu’il est soumis à une contrainte épitaxiale ont été investiguées au moyen de calculs ab-initio et de mesures en microscopie à champ proche réalisées sur des couches minces déposées sur un substrat de SrTiO3(001). Nos résultats mettent en évidence une modification de la structure interne du matériau sous effet de contrainte, qui se traduit par une réorientation progressive de la polarisation spontanée suivant la direction [001]. Notre étude s’est ensuite tournée vers l’élaboration et l’analyse des propriétés structurales et ferroélectriques de superréseaux (SrTiO3)n(BiFeO3)m. Nos calculs ont mis en évidence que la contrainte épitaxiale imposée au superréseau offrait un contrôle accru des propriétés du BiFeO3 par rapport à son comportement lorsqu’il est déposé seul en couches minces. Les analyses en microscopie à champ proche ont montré une réduction de la tension coercitive de tels films par rapport à celle mesurée sur des bicouches SrTiO3/BiFeO3 ou sur une couche mince de BiFeO3. / In this work, first-principles calculations and experimental measurements have been done in order to investiguate the structural, electroniq and ferroelectric properties of Ln2Ti2O7 (Ln = La, Nd, Sm, Gd) and BiFeO3 oxydes. Calculations on La2Ti2O7 and Nd2Ti2O7 confirmed their ferroelectricity. Other oxydes belonging to the Ln2Ti2O7 family have also been investigated. The results showed an enhancement of the spontaneous polarization within these compounds compared to that of La2Ti2O7 and Nd2Ti2O7. The second part of this work is related to the structural and ferroelectric properties of bismuth ferrite BiFeO3. The evolution of its properties when undergoing an epitaxial strain have been investigated by ab initio calculations and piezoresponse force microscopy measurements on thin films deposited on a (001)-SrTiO3 substrate. Our results showed a modification of the inner structure of BiFeO3 under stain, leading to a continuous reorientation of the spontaneous polarization vector towards [001]. The third part of our study consists in the computational design and synthesis of (SrTiO3)n(BiFeO3)m superlattices. Our calculations showed that epitaxial strain imposed to the superlattice brings a further control of physical properties of BiFeO3 as compared with its behaviour when deposited alone in a thin film. PFM analysis showed a decrease of the coercive field for STO/LNO/(STO)n(BFO)m superlattices as compared with those measured on STO/BFO bi-layers and on BiFeO3 thin films.