Direkte Bestimmung der elektrokalorischen Effizienz in bleifreien mikrostrukturierten Dünnschichtarchitekturen

• Antragsteller: Dr. Peter Gaal; Dr. Ruben Hühne
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450862010

Die thermische Stabilisierung komplexer Mikrosysteme, wie sie als Sensoren oder mikroelektronische Bauteile verwendet werden, ist einer der zentralen Herausforderungen der aktuellen Technologieentwicklung. Dabei wird vor allem eine gezielte Kühlung der aktiven Elemente benötigt. Eine Möglichkeit dafür besteht in der Integration von elektrokalorischen Materialien als Dünnschichten in die entsprechenden Bauteilarchitekturen. In diesen Materialien kommt es bei Anlegen oder Entfernen eines externen elektrischen Feldes zu einer Entropie- bzw. Temperaturänderung, die für eine energieeffiziente Kühlung genutzt werden kann. Um die Effizienz und Leistungsfähigkeit des elektrokalorischen Materials in einem thermodynamischen Kreisprozess zu bestimmen, ist die direkte Messung der feldinduzierten Temperaturänderung von entscheidender Bedeutung.Ziel des gemeinsamen Projektantrages ist es deshalb, neue Methoden zur Bestimmung der Temperaturänderung in elektrokalorischen Dünnschichten zu entwickeln und mit etablierten indirekten Charakterisierungsroutinen zu vergleichen. Zentraler Schwerpunkt sind dabei sowohl epitaktische Schichtsysteme mit einer Dicke < 1 µm, die direkt in zukünftige Bauteilarchitekturen integriert werden können, als auch bleifreie Materialien, die eine Umweltverträglichkeit der neuen Technologie gewährleisten. Im Gegensatz zu den bereits etablierten Messverfahren für Massivproben müssen wir auf Grund des kleinen Volumens der Dünnschichten Methoden mit hoher Zeitauflösung zur Bestimmung der Temperaturänderung verwenden. Zeitliche Änderungen im Material werden dabei durch kurze Lichtpulse erfasst, so dass kleinste Änderungen sichtbar werden. Neben Laserpulsen greifen wir zur Messung auch auf kurze Röntgenblitze zurück, mit denen schnelle strukturelle Änderungen sichtbar gemacht werden können. Dies schließt die Bestimmung der thermoelastischen Parameter des elektrokalorischen Materials ein, die oft für dünne epitaktische Schichten nur unzureichend bekannt sind. In einem alternativen Ansatz bestimmen wir die Temperaturänderung lokal in mikrostrukturierten Bereichen durch integrierte Sensorelemente, die elektrisch oder optisch ausgelesen werden. Dies erfordert neben der Herstellung der entsprechenden Messstrukturen auch eine detaillierte Modellierung des thermischen Transportes. Zum Abschluss sollen die zeitaufgelösten und lokalen Ansätze kombiniert und miteinander verglichen werden.Der gemeinsame Projektantrag verbindet die komplementäre Expertise der Antragsteller auf dem Gebiet des Wachstums und der Strukturierung epitaktischer, ferroelektrischer dünner Schichten und der zeitaufgelösten Messmethoden. Unsere Untersuchungen sollen helfen, mit direkten Messungen der Temperaturänderung in Dünnschichtsystemen während des Kühlkreislaufes und mit der Entwicklung mikrostrukturierter bleifreier und damit umweltfreundlicher Schichtarchitekturen wichtige Fragestellungen der Elektrokalorik zu lösen und neue Anwendungsperspektiven zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen