Mechanische Charakterisierung zirconiumdotierter Hafnium-Membranen mit dem FusionScope
In einer aktuellen Studie der South-east University in Nanjing, China wurden freistehende Hafnium-Zirkoniumoxid (HZO)-Membranen untersucht, die auf flexible Substrate transferiert wurden. Einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis des mechanischen Verhaltens dieser ultradünnen, ferroelektrischen Membranen leistete das korrelative Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskop FusionScope.
Durch die einzigartige Kombination aus AFM und SEM im FusionScope konnte die Wechselwirkung der AFM-Spitze mit einzelnen Falten in den freistehenden Hafnium-Membranen in-situ und in Echtzeit im SEM beobachtet werden.
Dabei wurden sowohl die Annäherung des Cantilevers an die Falten, das Eindringen in die Struktur als auch der Rückzug und die anschließend die Wiederherstellung des Falten-Profils per SEM sichtbar gemacht. Diese direkte Sicht auf den Vorgang, kombiniert mit den simultan aufgenommenen Kraft-Abstands-Kurven, ermöglichte eine präzise Analyse der elastischen Rückstellkräfte und mechanischen Belastbarkeit der ultradünnen Membranen.
Die korrelative Messung offenbarte ein verzögertes Rückstellen der Falten nach Entfernung der AFM-Spitze, was auf die mechanische Struktur der Falten sowie auf die dynamische Reorientierung von elektrischen Dipolen unter mechanischer Spannung zurückgeführt werden kann. Ergänzend wurden Kraft-Eindringungskurven aufgenommen, aus denen Federkonstanten extrahiert wurden. Diese quantifizierten das elastische Verhalten von HZO-Filmen im Originalzustand und im gefalteten Zustand: Die gefalteten Membranen zeigten dabei eine mittlere Steifigkeit von 0,332 nN/nm.
Insgesamt zeigt die Veröffentlichung eindrucksvoll, wie das FusionScope durch seine Fähigkeit zur nanoskaligen, korrelativen Echtzeit-Beobachtung mechanischer Vorgänge neue Einblicke in das Verhalten freistehender, funktionaler Dünnfilme liefert – insbesondere in Hinblick auf deren potenzielle Anwendung in flexibler Nanoelektronik.
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