Widerstandsdegradation von Blei-Zirkonat-Titanat Multischichtaktuatoren mit Kupferinnenelektroden

Abstract

Blei-Zirkonat-Titanat, Pb(ZrxTi1-x)O3, kurz "PZT", ist seit vielen Jahren eine der wichtigsten Funktionskeramiken in der Forschung und im Alltag. Anwendungen reichen von piezoelektrischen Schichten in Mobiltelefonen, Ultraschallgeräten und Drucksensoren bis hin zu Aktuatoren in Direkteinspritzsystemen von Verbrennungsmotoren. Trotz der vielen An-wendungsgebiete besitzt dieses Material gewisse Probleme bei der Langzeitstabilität. Mecha-nische und elektrische Alterungserscheinungen können zum Ausfall von Geräten führen und solche Degradationsvorgänge werden häufig mit Punktdefekten im Kristallgitter in Verbin-dung gebracht. In vielen Fällen sind jedoch die exakten Mechanismen nicht ausreichend ver-standen. In dieser Arbeit wurden Degradationsexperimente an individuellen Schichten von donator-dotierten PZT-Multischichtaktuatoren mit Kupferinnenelektroden durchgeführt. Zwischen 500° C und 550° C und bei unterschiedlich hohen Spannungen wurde das Material degradiert und dessen Degradationsverhalten studiert. Abhängig von angelegter Spannung und Tempera-tur kam es dabei zu einem Kurzschluss, oft verbunden mit "Kraterbildungen". Die degradier-ten Schichten verloren dabei ihren hohen Widerstand und der stark leitfähige Zustand konnte "eingefroren" werden. Oberflächennahe bzw. im Volumen sich befindliche Leitungspfade könnten diese Kurzschlüsse erklären. Um dies zu prüfen, wurden diverse Messungen an ge-teilten bzw. abgeschliffenen Probenschichten vorgenommen, um einen etwaigen Leitungspfad zu isolieren. Es stellte sich heraus, dass nur wenige, sehr lokale Leitungspfade vorhanden sind.<br />Ferner wurden Schichten nach Degradationsversuchen relaxiert und anschließend wieder degradiert - dabei wurde beobachtet, dass es nur zu einer scheinbaren Relaxation des Materi-als kommt.<br />

Lead zirconate titanate, Pb(ZrxTi1-x)O3, also known as "PZT", has been one of the most important functional ceramic materials in science and every day´s life for many years. Its field of applications reaches from piezoelectrical thin films in mobile phones, ultra sonic devices and pressure sensors to actuators in direct injection systems of combustion engines. Despite its great application range the material suffers from fatigue and aging. Mechanical and electrical degradation of a device is often associated with point defects in the ceramics.<br />However, in many cases the detailed mechanisms are still under discussion or unknown.<br />In this work, various degradation experiments were performed on individual layers of donor doped PZT multi-layer-actuators with copper inner electrodes. The material was stressed by high voltages at temperatures between 500° C and 550° C and its degradation behaviour was studied. In dependence of voltage and temperature, short circuits in combination with "cra-ters" could be observed. The degraded layers lost their high resistance and the resulting con-ductive state could be "frozen-in". Conduction paths on the surface as well as in the bulk might cause this short circuit. In order to clarify the location of the short circuit, various measurements were performed on divided and grinded sample layers to isolate a possible conduction path. It turned out, that only a few, very local conduction paths exist. Moreover layers were relaxed after degradation experiments and after relaxation they were again degraded. These experiments revealed that the relaxation of the resistance was only an apparent one.<br />