Selbstdiffusion der konstituierenden Elemente in LaAlO3

• Antragsteller: Dr. Peter Fielitz
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511609623

Lanthan-Aluminiumoxid (LaAlO3) nimmt eine herausragende Rolle in der Grundlagenforschung mit direktem Bezug zur Halbleiter-Industrie ein: Eine der herausforderndsten Aufgaben ist hier die ständige Verkleinerung der CMOS-Strukturen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Einsatz neuer Materialien mit hoher Permittivität erforderlich. Mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und einer geringen Gitterfehlpassung gegenüber Silizium ist LaAlO3 ein sehr vielversprechendes Gate-Dielektrikum. Darüber hinaus ist LaAlO3 auch in grundsätzlicher Hinsicht ein sehr interessantes Material: An der Grenzfläche mit SrTiO3 kommt es zur Ausbildung eines zweidimensionalen Elektronengases, welches aktuell Gegenstand der Grundlagenforschung ist. Dieser Grenzflächeneffekt bildet die physikalische Grundlage für neuartige elektronische Komponenten (z. B. oxidische Feld-Effekt-Transistoren).In Anbetracht dieser herausragenden Rolle von LaAlO3 ist das Fehlen von experimentellen Selbstdiffusionsdaten in Einkristallen und dünnen Filmen besonders nachteilig. Computersimulationen zur Mobilität der Konstituenten eines Materials sind zwar heutzutage sehr leistungsfähig – zur Überprüfung/Bewertung der Ergebnisse sind jedoch immer noch experimentelle Referenzdaten notwendig. Solche Referenzdaten sollen in diesem Projekt unter möglichst gut charakterisierten experimentellen Bedingungen (definierte Struktur des Materials und chemische Analyse der Verunreinigungen) gewonnen werden.Das Hauptziel dieses Projekts ist es daher, die fehlenden Diffusionsreferenzdaten für LaAlO3 bereitzustellen, indem Tracerdiffusionsmessungen aller konstituierenden Elemente in einkristallinem LaAlO3 und dünnen LaAlO3-Filmen durchgeführt werden. Die Messung der Interdiffusion an der SrTiO3/LaAlO3-Heterostruktur wird experimentelle Daten (Diffusionsprofile) liefern, welche als Grundlage für die Modellierung der Kopplung der Kationendiffusivitäten in diesem Spezialfall dienen. Des Weiteren wird sich eine Korrelation zwischen der Beweglichkeit der Kationen und der Mikrostruktur der Heterostruktur zeigen lassen. Hierdurch werden auch für LaAlO3 die relevanten Informationen zum atomaren Transport der Konstituenten bereitgestellt, welche für SrTiO3 bereits existieren und welche für das Verständnis des Verhaltens des Heterosystems bei höheren Prozesstemperaturen unverzichtbar sind. Dieses Verständnis ist nicht nur bei der Herstellung, sondern auch für Prognosen zur Langzeitstabilität der Heterostrukturen von Bedeutung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen