DE102019213367A1 - Ferroelectrics, as well as suitable processes and uses therefor - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Ferroelektrika, das ein piezoelektrisches Material mit einem Hafnium Anteil von 2% oder weniger aufweist, die Verwendung eines solchen Ferroelektrika bei der Energiegewinnung und zur Implementierung in Speicher-, Prozessor- und Sensortechnologien, die Verwendung eines Ferroelektrika, bei der der Energiebedarf durch Supraleitfähigkeit gesenkt wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ferroelektrika, bei dem ein Sinter-Verfahren eingesetzt wird.Describes a ferroelectrics which has a piezoelectric material with a hafnium content of 2% or less, the use of such a ferroelectrics in energy generation and for implementation in memory, processor and sensor technologies, the use of a ferroelectrics in which the energy requirement is reduced Superconductivity is lowered, as well as a method for producing a ferroelectrics in which a sintering method is used.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ferroelektrika sowie geeignete Verfahren und Verwendungen hierfür.The present invention relates to a ferroelectrics and suitable methods and uses therefor.
Herkömmliche Ferroelektrika, insbesondere piezoelektrische Materialien mit Perowskit-Struktur, die im inneren der molekularen Struktur (B-Seite) Zirkon und Titan enthalten wie z.B. Materialien auf PZT- und BZT Basis, sind die am meisten gebräuchlichen piezoelektrischen Materialien auf dem Markt.Conventional ferroelectrics, particularly piezoelectric materials with perovskite structure containing zirconium and titanium inside the molecular structure (B-side) such as PZT and BZT based materials, are the most common piezoelectric materials on the market.
Bei der Herstellung von z.B. PZT (Blei Zirkonat Titanat) wird Zirkonoxid verwendet. Zirkonoxid hat, wenn es in einer Mine abgebaut wird, somit durch das natürliche Vorkommen vorrangig einen Hafnium-Anteil von 2-3%, wobei bis zu 5% ebenso möglich sind. Somit werden PZT Materialien üblicherweise mit einem Zirkonoxid hergestellt, das 2 - 2,5% Hafnium enthält.Zirconium oxide is used in the production of e.g. PZT (lead zirconate titanate). When it is mined in a mine, zirconium oxide has primarily a hafnium content of 2-3% due to its natural occurrence, although up to 5% is also possible. Thus, PZT materials are usually made with a zirconium oxide that contains 2 - 2.5% hafnium.
Ferner ist aus der
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung bestehen darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Ferner soll erreicht werden, dass die piezoelektrischen Eigenschaften der Ferroelektrika nicht nur für die Dünnschicht-Technologien verbessert werden. Zusätzlich soll der Anteil der rhomboedrischen Struktur der Ferroelektrika erhöht werden.The objects of the present invention are to overcome the disadvantages of the prior art. Furthermore, the aim is to improve the piezoelectric properties of ferroelectrics not only for thin-film technologies. In addition, the proportion of the rhombohedral structure of the ferroelectrics is to be increased.
Gelöst werden diese Aufgaben mit den Gegenständen der Ansprüche 1, 9, 10, 11 und 12.These objects are achieved with the subjects of claims 1, 9, 10, 11 and 12.
Erfindungsgemäß hat es sich gezeigt, dass Ferroelektrika z. B. PZT, und Materialien, die mit einem Zirkonoxid hergestellt werden, das weniger als 2% Hafnium enthält, deutlich bessere piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Vorzugsweise sollte das verwendete Zirkonoxid so rein als möglich sein, also am besten so gut wie gar kein Hafnium enthalten. Wenn ein Zirkonoxid mit einen relevanten Hafnium Anteil von z. B. über 2% verwendet wird, dann hat das Hafnium die Eigenschaft die tetragonale Phase zu unterstützen und gleichzeitig die rhomboedrische Phase zu unterdrücken. Wenn demgegenüber ein relevanter Hafnium-Anteil von z. B. unter 2%, vorzugsweise unter 1%, verwendet wird, dann hat das Hafnium die Eigenschaft, die rhomboedrische Phase weniger zu unterdrücken.According to the invention it has been shown that ferroelectrics z. B. PZT, and materials that are made with a zirconium oxide that contains less than 2% hafnium, have significantly better piezoelectric properties. The zirconium oxide used should preferably be as pure as possible, i.e. it should contain almost no hafnium at all. If a zirconium oxide with a relevant hafnium content of z. B. is used over 2%, then the hafnium has the property of supporting the tetragonal phase and at the same time suppressing the rhombohedral phase. In contrast, if a relevant proportion of hafnium of z. B. is used below 2%, preferably below 1%, then the hafnium has the property of suppressing the rhombohedral phase less.
Aufgrund der Reduzierung des Hafnium-Anteils von weniger als 2%, welches nicht natürlich vorkommt, kann das anmeldungsgemäße Ferroelektrika zum einen bei der Energiegewinnung bzw. zum anderen zur Implementierung in Speicher-, Prozessor- und Sensortechnologie verwendet werden. Ebenso hat es sich gezeigt, dass der Energiebedarf bei Auftreten der und durch die Supraleitfähigkeit gesenkt wird.Due to the reduction in the proportion of hafnium by less than 2%, which does not occur naturally, the ferroelectrics according to the application can be used on the one hand for energy generation and on the other hand for implementation in memory, processor and sensor technology. It has also been shown that the energy requirement is reduced when and by the superconductivity.
Weitergehende Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.Further developments of the features according to the invention are the subject of the subclaims.
Anmeldungsgemäß wird bei einem gegenüber dem natürlichen Vorkommen reduzierten Hafnium-Anteil vorteilhafterweise ein dielektrischer Verlustfaktor von 0,2% oder weniger erreicht. Dies wird insbesondere bei gleichbleibender Dielektrizitätskonstante und/oder piezoelektrischen Effekt d33 erreicht. Somit können die anmeldungsgemäßen Ferroelektrika bei einem Einsatz von elektrischen Bauteilen oder Schaltkreisen zu einer erheblichen Energieeinsparung führen.According to the application, a dielectric loss factor of 0.2% or less is advantageously achieved with a hafnium proportion that is reduced compared to the natural occurrence. This is achieved in particular with a constant dielectric constant and / or piezoelectric effect d33. Thus, the ferroelectrics according to the application can lead to considerable energy savings when using electrical components or circuits.
Vorteilhafterweise wird ferner ein zwei- oder mehrphasiges Material als Ferroelektrika verwendet, so dass die rhomboedrische Phase bei reduziertem Hafnium-Anteil erhöht bzw. weniger unterdrückt wird. Durch die Erhöhung der rhomboedrischen Phase werden die piezoelektrischen Eigenschaften erhöht.Advantageously, a two-phase or multiphase material is also used as ferroelectrics, so that the rhombohedral phase is increased or less suppressed with a reduced hafnium content. By increasing the rhombohedral phase, the piezoelectric properties are increased.
Als weiterer Vorteil hat sich herausgestellt, das bei vermindertem Hafnium-Anteil von gleich oder kleiner als 2% bei gleichbleibendem elektrischen Verlust, d.h. zwischen vergleichbaren Ferroelektrika mit und ohne vermindertem Hafnium-Anteil, eine Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstante und/oder des piezoelektrischen Effekts d33 von mindestens 50% oder mehr erreicht wird. Ferner wird bei nahezu gleichbleibenden relativen Dielektrizitätskonstanten eine Verminderung des elektrischen Verlusts von mindestens 50% erreicht. Weiterhin hat sich vorteilhafterweise gezeigt, das bei gleichbleibendem piezoelektrischen Effekt d33 eine Verminderung des elektrischen Verlusts von mindestens 50% erreicht wird. Diese Effekte tragen ebenso zu einer verbesserten Energiebilanz bei ihrem jeweiligen Einsatz bei. Aufgrund der verbesserten Energiebilanz kann die Packungsdichte der Bauteile erhöht werden, wodurch ebenso höhere Taktungen bzw. Taktfrequenzen gegenüber herkömmlichen Bauteilen erreicht werden.A further advantage has been shown to be that with a reduced hafnium content of equal to or less than 2% with constant electrical loss, ie between comparable ferroelectrics with and without a reduced hafnium content, an increase in the relative dielectric constant and / or the piezoelectric effect d33 of at least 50% or more is achieved. Furthermore, if the relative dielectric constant remains almost the same, a Reduction in electrical loss of at least 50% achieved. Furthermore, it has advantageously been shown that, with the piezoelectric effect d33 remaining the same, a reduction in the electrical loss of at least 50% is achieved. These effects also contribute to an improved energy balance when they are used. Due to the improved energy balance, the packing density of the components can be increased, whereby higher clocks or clock frequencies can also be achieved compared to conventional components.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Erkenntnis der Erhöhung der rhomboedrischen Phase durch die Verminderung des Hafnium-Anteils ist es vorteilhafterweise möglich, dass Materialien, insbesondere nicht nur in Dünnschicht-Technik hergestellt werden können, sondern in Materialdicken von zwischen 5 Nanometer bis zu ungefähr 4 cm.Based on the knowledge according to the invention of increasing the rhombohedral phase by reducing the hafnium content, it is advantageously possible for materials, in particular not only to be produced using thin-film technology, but in material thicknesses of between 5 nanometers up to approximately 4 cm.
Als besondere Materialien können vorteilhafterweise piezoelektrische Materialien auf Basis von: PZT (Blei Zirkonat Titanat), PLZT (Blei Lanthan Zirkonat Titanat), PSZT (Blei Strontium Zirkonat Titanat), PLSZT (Blei Lanthan Strontium Zirkonat Titanat), BZT (Barium Zirkonat Titanat), und/oder BSZT (Barium Strontium Zirkonat Titanat) verwendet werden, bei denen die rhomboedrische Struktur durch Verminderung des Hafniums-Anteils erhöht werden kann, wodurch die piezoelektrischen Eigenschaften verbessert sind. Wenn also ein PZT Material hergestellt wird, das in Richtung einer rhomboedrischen Phase eingestellt ist, also ein Zirkon/Titan Verhältnis von Zr52% / Ti48% oder mehr Zirkon enthält, dann macht sich der Effekt immer deutlicher bemerkbar.As special materials, piezoelectric materials based on: PZT (lead zirconate titanate), PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), PSZT (lead strontium zirconate titanate), PLSZT (lead lanthanum strontium zirconate titanate), BZT (barium zirconate titanate), and / or BSZT (barium strontium zirconate titanate) can be used, in which the rhombohedral structure can be increased by reducing the proportion of hafnium, whereby the piezoelectric properties are improved. So if a PZT material is produced that is set in the direction of a rhombohedral phase, i.e. contains a zirconium / titanium ratio of Zr52% / Ti48% or more zirconium, then the effect becomes more and more noticeable.
Beispielsweise kann bei PZT mit einem quasi Hafnium freien Zirkonoxid (hoch reines Zirkonoxid, reactor grade), das ein Zr/Ti Verhältnis von ca. Zr53% / Ti47%, oder mehr Zirkon enthält, ein phasenkritischer Bereich erreicht werden, bei dem die rhomboedrische Phase und die tetragonale Phase gleichzeitig vorhanden sind. Ein solches Material hat in fast jeder Hinsicht (Dielektrische Konstante, Piezoelektrische Deformation und loss-factor) hervorragende Eigenschaften, die wesentlich besser sein können als vergleichbare PZT Materialien.For example, with PZT with a quasi-hafnium-free zirconium oxide (highly pure zirconium oxide, reactor grade), which contains a Zr / Ti ratio of approx. Zr53% / Ti47%, or more zirconium, a phase-critical area can be reached in which the rhombohedral phase and the tetragonal phase are present at the same time. Such a material has excellent properties in almost every respect (dielectric constant, piezoelectric deformation and loss factor), which can be significantly better than comparable PZT materials.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.Further advantageous developments are the subject of the further subclaims.
Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass eine Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften der oben genannten piezoelektrischen Materialien von 100% oder mehr bei jenen Materialien erreicht wird, die mit einem Zirkonoxid hergestellt werden, das weniger als 2 oder 1,5% Hafnium enthält, gegenüber identischen Materialien, die mit einem Zirkonoxid hergestellt werden, das 2% oder mehr Hafnium enthält. Vorzugsweise wird hoch reines Zirkonoxid verwendet, und zwar so wenig Hafnium als möglich. Generell hat es sich gezeigt, dass Hafnium-reduziertes oder Hafnium-freies piezoelektrisches Material, das auf z. B. PZT oder BZT basiert, die besten Eigenschaften von harten PZT' s mit den guten Eigenschaften von weichen PZT's kombiniert und damit in Anwendungen zur Energieumwandlung hervorragend eingesetzt werden kann.In summary, it should be stated that an improvement in the piezoelectric properties of the above-mentioned piezoelectric materials of 100% or more is achieved in those materials that are produced with a zirconium oxide that contains less than 2 or 1.5% hafnium, compared to identical materials, made with a zirconia containing 2% or more hafnium. Highly pure zirconium oxide is preferably used, and as little hafnium as possible. In general, it has been shown that hafnium-reduced or hafnium-free piezoelectric material, which is based on z. B. PZT or BZT based, the best properties of hard PZT's combined with the good properties of soft PZT's and can therefore be used excellently in applications for energy conversion.
Nachfolgende Beispiele zeigen die jeweiligen piezoelektrischen Eigenschaften zwischen handelsüblichen piezoelektrischen Materialien als Ferroelektrika einmal mit natürlich enthaltenem Hafnium-Anteil im Vergleich mit reduziertem Hafnium-Anteil.The following examples show the respective piezoelectric properties between commercially available piezoelectric materials as ferroelectrics with a naturally contained hafnium proportion compared with a reduced hafnium proportion.
Grundsätzlich gilt, je geringer die dielektrischen Verluste desto geringer sind auch die anderen Werte der piezoelektrischen Eigenschaften, wie die relative Dielektrizitätskonstante und der piezoelektrische Effekt.Basically, the lower the dielectric losses, the lower the other values of the piezoelectric properties, such as the relative dielectric constant and the piezoelectric effect.
Gemäß Beispiel 1 ist zu erkennen, dass das anmeldungsgemäße Material mit verminderten Hafnium-Anteil, hier kleiner als 0.01%, gegenüber dem besten vergleichbaren herkömmlichen Material mit natürlichem Hafnium-Anteil, hier von 0.6%, aus der Industrie deutlich höhere Werte bei der relativen Dielektrizitätskonstante und beim piezoelektrischen Effekt hat.
Beispiel 1: Verbesserung der dielektrischen Konstante und des piezoelektrischen Effektes
Gemäß Beispiel 2 und 3 wird gezeigt, dass das anmeldungsgemäße Material mit reduziertem Hafnium-Anteil, hier kleiner als 0.01%, mit vergleichbaren Werten der piezoelektrischen Eigenschaften wie relativer Dielektrizitätskonstante und des piezoelektrischen Effektes d33, deutlich weniger dielektrischen Verlust ergeben. Hierbei verringert sich der dielektrische Verlust um beispielsweise mindestens 50% oder mehr.
Beispiel 4: weiter verbesserte dielektrische Verluste
Gemäß Beispiel 4 wird verdeutlicht, dass ebenso je nach Materialzusammensetzung ein dielektrischer Verlust von 0.1% erzielbar ist, und zwar bei nahezu gleichbleibenden piezoelektrischen Eigenschaften wie relativer Dielektrizitätskonstante und dem piezoelektrischen Effekt, und zeigt eine nochmalige Halbierung der Verluste bei nur geringfügig kleineren Werten bei der relativen Dielektrizitätskonstante und dem piezoelektrischen Effekt.According to example 4 it is made clear that a dielectric loss of 0.1% can also be achieved, depending on the material composition, with almost constant piezoelectric properties such as the relative dielectric constant and the piezoelectric effect, and shows a further halving of the losses with only slightly smaller values in the case of the relative Dielectric constant and the piezoelectric effect.
Zusätzlich zu der Verringerung des Verlustfaktors kann das Ferroelektrika durch Reduktion oder sogar Entfernen von Hafnium weiterhin in den Zustand der Supraleitung überführt werden, um die Energieverluste bei entsprechenden Anwendungen, wie beispielsweise bei elektrischen Bauteilen oder Schaltkreisen, nochmals deutlich zu senken. Allgemein bekannt hängt die Supraleitfähigkeit eines Materials mit der Entstehung bzw. dem Vorliegen einer rhomboedrischen Phase zusammen. Dieser Zusammenhang wurde bei der Erforschung des Interfaces zwischen Lantanaluminat und Strontiumtitanat erkannt. Demnach geht dieses Material bestehend aus Lantanaluminat und Strontiumtitanat unterhalb von 30 Kelvin in eine rhomboedrische Phase über, wodurch dessen elektrischer Widerstand mit fallender Temperatur stetig sinkt. Unterhalb von 200 Millikelvin tritt die Supraleitfähigkeit auf. In addition to reducing the dissipation factor, the ferroelectrics can still be converted to the state of superconductivity by reducing or even removing hafnium in order to significantly reduce the energy losses in corresponding applications, such as in electrical components or circuits. It is well known that the superconductivity of a material is related to the formation or the presence of a rhombohedral phase. This relationship was recognized when researching the interface between lanthanum aluminate and strontium titanate. According to this, this material, consisting of lanthanum aluminate and strontium titanate, changes to a rhombohedral phase below 30 Kelvin, whereby its electrical resistance steadily decreases with falling temperature. Superconductivity occurs below 200 millikelvin.
Die Reduktion oder das Entfernen von Hafnium begünstigt somit anmeldungsgemäß die Ausbildung einer rhomboedrischen Phase bei Raumtemperatur, wodurch Hochtemperatur-Supraleitung ermöglicht wird.According to the application, the reduction or removal of hafnium thus favors the formation of a rhombohedral phase at room temperature, which enables high-temperature superconductivity.
Es zeigt sich zum Beispiel in einer Verbindung QPM PZT mit den Elementen Blei Pb, Strontium Sr, Zirkonium Zr, Titan Ti, Eisen Fe, Lantan La, Aluminium AL und Nickel Ni mit einem Hafnium-Anteil unterhalb von 0,01% eine entsprechende Supraleitfähigkeit.For example, a compound QPM PZT with the elements lead Pb, strontium Sr, zirconium Zr, titanium Ti, iron Fe, lanthanum La, aluminum AL and nickel Ni with a hafnium content below 0.01% has a corresponding superconductivity .
Gemäß der
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