Verbesserte flexoelektrische TiO2 Cantilever: Feld-Gradienten Modifikation und der Einfluss von Redox-Prozessen

Abstract

Die Flexoelektrizität ist ein elektromechanischer Kopplungseffekt, welche in allen dielektrischen Materialien vorkommt und auf der Nanoskala Piezoelektrizität überwiegen kann. Der direkte Effekt beruht auf eine Polarisation durch einen Deformationsgradienten oder im konversen Fall auf eine Dehnung des Materials durch einen elektrischen Feldgradienten. Um den flexoelektrischen Effekt auf die Mikroskala auszuweiten, wurden Modifikationen des Feldes simuliert und ein Cantilever-Prozess entwickelt, um die verbesserte Kopplung zu untersuchen. Außerdem wurden die Cantilever unter verschiedenen Atmosphären getestet, um die katalytische Wirkung der Elektroden zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Modifikationen die erzeugten Feldgradienten eine Änderung der Schwingung bewirken. Cantilever mit einer inhomogenen Verteilung der Permittivität zeigten das gleiche Verhalten wie Cantilever mit einem homogenen Dielektrikum. Für weitere Schlussfolgerungen muss der Verlauf der Permittivität bei den hergestellten Bauteilen bestimmt werden. Für die Cantilever mit unterschiedlichen Topelektroden konnte gezeigt werden, dass diejenigen mit mehr Kanteneffekten eine geringere Auslenkung aufweisen als diejenigen mit weniger Kantenlänge. Erst nach einem strukturierten Ätzen des Dielektrikums zeigten die Cantilever mit stärkeren Kanteneffekten eine stärkere Auslenkung. Die Krümmung der Cantilever, verursacht durch einen elektrischen Feldgradienten, ist vergleichbar mit piezoelektrisch angeregten Cantilevern. Es konnte gezeigt werden, dass die flexoelektrische Konstante mit steigender Temperatur sinkt und unabhängig von der Luftfeuchtigkeit ist. Mit den gewonnenen Erkenntnissen dieser Arbeit können neue Test- und Bauelementstrukturen überlegt werden, um den Feldgradienten weiter zu erhöhen.

Flexoelectricity is an electromechanical coupling effect that occurs in all insulators and can dominate piezoelectricity on the nanoscale. The direct effect describes polarisation due to a mechanical strain gradient or via the converse effect the presence of strain through an electric field gradient. To expand the flexoelectric effect to the microscale, modifications of the field were simulated, and a cantilever process was developed. To analyse the catalytic behaviour of the electrodes cantilever measurements under different atmospheres were made. The results show that the modifications had an influence on the vibrational behaviour of the cantilever. Cantilevers with an inhomogeneous distribution of the permittivity showed the same behaviour as that with a homogeneous dielectric. For further conclusions, the local distribution of the permittivity must be measured. For the cantilevers with different top electrodes, it could be shown that those with more edge effects have a smaller deflection than those with less edge effects. Only after a tailored etching of the dielectric the cantilevers with stronger edge effects outperform those without a specific patterning. The curvature of the fabricated cantilevers, induced by an electric field gradient, are competitive to piezoelectrically stimulated cantilevers. In addition, it has been shown that the flexoelectric constant is getting lower when increasing the temperature during operation, but a change in the humidity did not affect the vibrational behaviour of the cantilever. The results of this work give a fundamental understanding which modifications have an impact on the flexoelectric coupling effect.