Die technologische Entwicklung schreitet permanent in Richtung Miniaturisierung und Reduzierung des Energieverbrauchs voran. Einer der Schlüssel zu diesem Weg liegt in der Integration von ferroelektrischen Dünnschichten in die Mikrosystemtechnik (Englisch: Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)). Zu diesem Zweck ist Blei-Zirkonat-Titanat aufgrund seines großen piezoelektrischen Koeffizienten das Material der Wahl. Um den Anwendungsbereich zu erweitern, müssen Substrate, die weniger spröde sind als das derzeit favorisierte Silizium, in MEMS implementiert werden. In dieser Arbeit wurden Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschichten auf Edelstahlsubstraten sowohl experimentell untersucht als auch modelliert.

Die Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschichten der Zusammensetzung PbZr0.52Ti0.48O3wurden auf AISI 304 Edelstahl-Substraten durch gepulster Laserabscheidung mit {001} Textur aufgewachsen, um ihr piezoelektrisches Verhalten zu verbessern. Wie mittels Röntgen- und Elektronenrückstreubeugung gezeigt werden konnte, wird die Texturoptimierung durch die Auswahl von zwei Pufferschichten, Al2O3 und LaNiO3, erreicht. Die erste Pufferschicht verhindert die Oxidation des Edelstahlsubstrats während der Abscheidung der nachfolgenden Schichten. Die zweite dient sowohl als Bodenelektrode als auch als Wachstumsschablone zur Förderung der {001} Textur von PbZr0.52Ti0.48O3-Dünnschichten. Die ferroelektrischen Eigenschaften der Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschichten werden durch 2 mol.% Nb-Dotierung verbessert, was im Rohzustand zu Dielektrizitätskonstanten und Verlusten bei 1 kHz für einen 200 nm dicken Film von 350 bzw. unter 5 % führt. Nach Messung der Hysteresekurve (elektrische Polarisation gegen das elektrische Feld) steigt die Permittivität der Nb-dotierten Blei-Zirkonat-Titanat Dünnschichten auf bis zu 430. Bei einer Dicke von 400 nm zeigen die Schichten eine remanente Polarisation von 16,5 μC·cm−2 und ein Koerzitivfeld von 92 kV·cm−1.

In der Modellierung wurde basierend auf einem ferroelektrischen Schaltkriterium und der Euler-Bernoulli-Strahlentheorie untersucht, wie sich die vertikale Auslenkung von ferroelektrischen Biegezungen mit einer Last an ihrem freien Ende verhält. Das hier entwickelte Modell überbrückt die in der Literatur bestehende Lücke zwischen der Modellierung des ferroelektrischen Schaltens und der mechanischen Beschreibung von linearen piezoelektrischen Strukturen. Darüberhinausgehend wird das Modell des ferroelektrischen Schaltkriteriums durch den Einbezug der Dehnungssättigung bei hohen Feldern, die den Ferroelektrika inhärent ist, verbessert. Das Modell enthält Parameter, die Geometrie der Biegezunge, ihre mechanischen und Materialeigenschaften, den kristallographischen Zustand, die eingebaute Verspannung der ferroelektrischen Dünnschicht sowie das angelegte elektrische Feld berücksichtigen, um die vertikale Auslenkung für MEMS-Anwendungen zu bestimmen, die auf ferroelektrischen Biegezungen basieren.

Zusammenfassend wurde die technisch {001} Textur von Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschichten auf Edelstahlsubstraten erfolgreich eingestellt. Die dünnen Schichten, insbesondere mit 2 mol.% Nb-Dotierung, sind hervorragende Kandidaten für MEMS-Anwendungen auf nicht-spröden Substraten, insbesondere in der Sensorik. Darüber hinaus zeigt das in dieser Arbeit aufgestellte Modell, dass ferroelektrische Biegezungen aus Blei-Zirkonat-Titanat auf Edelstahlsubstraten eine ausreichende vertikale Auslenkung für MEMS Anwendungen entwickeln können.