Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

Morphotrope PZT-Keramiken sind Festkörperlösungen aus Bleizirkonat und Bleititanat mit chemischen Zusammensetzungen um die 47% Ti-Anteil. Sie weisen im gepolten Zustand die größten piezoelektrischen Koppelkonstanten auf und sind daher von speziellem Interesse. Zur Vorhersage des Polungszustandes und der Bauteilfestigkeit in komplexen Bauteilen werden elektromechanisch gekoppelte Materialmodelle benötigt. In dieser Arbeit wird ein mikromechanischer Modellansatz aus der Literatur aufgegriffen. Ausgangspunkt ist ein dreidimensionales tetragonales Modell, welches ein repräsentatives Volumenelement des Kornverbundes und ein mikroskopisches Kornmodell vereint. Damit gelingt die Beschreibung der Korninteraktionen infolge unterschiedlicher Polungszustände der Körner. Die Domänenstruktur der Körner wird mittels der Volumenanteile der kristallographischen Varianten dargestellt. Ein vereinfachter Satz an mikroskopischen Materialkonstanten wird anhand experimenteller Daten und theoretischer Betrachtungen aus der Literatur abgeleitet. Die für zwei Lastfälle berechneten makroskopischen Materialantworten zeigen explizit, dass das tetragonale Modell nicht in der Lage ist, das Verhalten morphotroper PZT-Keramiken nachzubilden. Aus diesem Grund wird das Modell im Hinblick auf die besondere kristallographische Struktur morphotroper PZT-Keramiken um eine rhomboedrische Phase in veränderlichen Anteilen erweitert. Die somit berechneten makroskopischen Antworten stimmen sowohl quantitativ als auch qualitativ gut mit experimentellen Ergebnissen überein. Der Einfluss der im Modell berücksichtigten Kristallstruktur auf die makroskopische Materialantwort wird in der Arbeit ausführlich analysiert. / Morphotropic PZT ceramics are solid solutions made of lead zirconate and lead titanate with chemical composition around 47% Ti-content. When poled they possess the greatest piezoelectric coupling constants for which they are of special interest. Predicting the poling condition and the strength in complex devices requires electromechanically coupled material models. Within this work, a micromechanical modelling approach is utilised. Starting point is a three-dimensional tetragonal model, which combines a representative volume element of the grain compound together with a microscopic grain model. This allows the consideration of grain interaction due to different poling conditions of the grains. The domain structure of the grains is captured by volume fractions of the crystallographic variants. A simplified set of microscopic material constants is derived from experimental and theoretical data given in the literature. The macroscopic material response, which is computed for two load cases, shows explicitly that the tetragonal model is not capable of reproducing the behaviour of morphotropic PZT ceramics. Therefore, the model is extended by the rhombohedral phase in varying quantity with view of the specific crystallographic structure of morphotropic PZT ceramics. The so computed macroscopic response shows a quantitatively as well as qualitatively good agreement with experimental results. The effect of the crystallographic structure which is considered within the model on the macroscopic material response is extensively analysed.

Higher frequencies in the MHz and GHz range and the increasing miniaturization lead to a higher load of the SAW (surface acoustic wave) metallizations. This higher SAW load and the intrinsic stresses result in a stress induced material transport, called acoustomigration. These microstructural changes can destroy the characteristic of the SAW device. Different Al based material combinations were investigated by different authors to improve the reliability of the metallizations and to delay the cost-intensive change to Cu based metallizations. The Cu based metallizations with TaSiN diffusion barriers were also investigated in this work. The barrier layers are necessary to impede the oxygen diffusion into the Cu layer and the Cu diffusion into the piezoelectric substrate. Also in this work the analytical TEM were used as a tool to investigate these microstructural changes in the SAW electrodes. Chemical changes in the metallizations were analysed by EDXS and EELS. The locally high resolved stress measurement in metallizations is a challenge for the future. The CBED (convergent beam electron diffraction) technique has shown the best resolution, however, it can only be applied to TEM lamellas. The aim of this work was to measure the stress within the SAW metallizations by using the CBED method. With it, we could correlate the microstructural changes with the causing stresses within the metallizations. To qualify the CBED method the thermal expansion of Al and Cu single crystals was measured by using a new model for thin TEM lamallas.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Interdigitalwandlern für zukünftige SAW-Bauelemente durch die Verwendung von kupferbasierten Fingerelektroden. In Bezug auf die Akustomigration, d.h. der Elektrodenschädigung infolge hochzyklischer SAW-Belastung, besitzt Kupfer im Vergleich zu standardmäßig eingesetztem polykristallinem Aluminium eine erhöhte Beständigkeit. Diese lässt sich weiter verbessern, indem die Grenzflächen der Fingerelektroden gegen die durch SAW-Belastung auftretende Loch- und Hügelbildung stabilisiert werden. Das Ziel bestand deshalb darin, die Aktivierungsenergie für den Materialtransport an den Elektrodengrenzflächen zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit Metallisierungen in Form von Kupfer Aluminium-Schichtstapeln und -Legierungen mit jeweils geringem Aluminiumanteil hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass Fingerelektroden aus wärmebehandelten Kupfer-Aluminium-Schichtstapeln eine signifikant erhöhte Leistungsbeständigkeit aufweisen, wobei der elektrische Widerstand im Vergleich zu vollständig legierten Kupfer-Aluminium-Metallisierungen deutlich reduziert ist. Insbesondere kann dieses Schichtsystem durch Elektronenstrahlverdampfung und Lift-Off-Technologie auch kostengünstig hergestellt werden. Der Einfluss von thermischer- und SAW-Belastung auf den mechanischen Spannungszustand in einer Fingerelektrode wurde mittels einer Finiten-Elemente-Simulation untersucht. Darüber hinaus wird der Schädigungsmechanismus für die Akustomigration anhand eines erweiterten Eyringmodells diskutiert. / The aim of this dissertation is the improvement of the power durability of interdigital transducers for future SAW devices using copper based finger electrode materials. Compared to polycrystalline aluminum, which is typically used as electrode material, copper shows a higher durability with respect to acoustomigration, which can be further increased by a stabilization of the electrode interfaces against material transport. For that purpose, copper based metallizations with a small aluminum content were developed as layer stacks or alloys. It could be shown that heat-treated copper-alumininum layer stacks have a significantly higher power durability while the electrical resistivity is reduced in comparison to completely alloyed copper-aluminium metallizations. Additionally, the thin film layer system can be produced by using economical techniques such as electron beam evapouration and lift-off-technology. The influence of thermal and mechanical load on the stress distribution in the finger electrodes was investigated by a finite elements method. The damage mechanism of acoustomigration will be discussed based on an extended Eyring model.

Piezokeramischen Werkstoffe auf der Basis von Bleizirkonat - Titanat (PZT) zeigen Extremwerte der elektromechanischen Eigenschaften im morphotropen Phasenübergangsbereich. Durch Modifikation des Verhältnisses von rhomboedrischer und tetragonaler Phase im Gefüge können die piezoelektrischen Eigenschaften des Werkstoffs entsprechend den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Es wurde eine Methode vorgestellt, einen mathematisch kohärenten Satz piezoelektrischer Kleinsignalkoeffizienten vollständig und mit hoher Genauigkeit über einen breiten Temperatur-(-200°C...+200°C) und Zusammensetzungsbereich (0...1 rh/tet) zu bestimmen. Desweiteren wurden die piezoelektrischen Eigenschaften dem Phasenanteil im Gefüge zugeordnet. / Piezoceramic materials based on Lead- Zirconate- Titanate (PZT) show extreme electromechanic properties in the area of morphotropic phase transition. PZT materials can be tailored to specific demands by modifying the ratio of volume of the rhombohedral and tetragonal phase within the micro structure. A method was introduced to accurately determine a complete and mathematically coherent set of piezoelectric small signal coefficients. This was done over a wide range of temperature (-200°C…+200°C) and phase composition (0…1 rh/tet). Additionally, the piezoelectric properties were correlated to the ratio of rhombohedral and tetragonal phases.

Ferroelectric field effect transistor (FeFET) memories based on a new type of ferroelectric material (silicon doped hafnium oxide) were studied within the scope of the present work. Utilisation of silicon doped hafnium oxide (Si:HfO2) thin films instead of conventional perovskite ferroelectrics as a functional layer in FeFETs provides compatibility to the CMOS process as well as improved device scalability. The influence of different process parameters on the properties of Si:HfO2 thin films was analysed in order to gain better insight into the occurrence of ferroelectricity in this system. A subsequent examination of the potential of this material as well as its possible limitations with the respect to the application in non-volatile memories followed. The Si:HfO2-based ferroelectric transistors that were fully integrated into the state-of-the-art high-k metal gate CMOS technology were studied in this work for the first time. The memory performance of these devices scaled down to 28 nm gate length was investigated. Special attention was paid to the charge trapping phenomenon shown to significantly affect the device behaviour.