Additive manufacturing of piezoelectric thin films with perovskite and fluorite structure by chemical solution deposition for MEMS applications

Lübben, Jan; Waser, Rainer; Gillner, Arnold

doi:10.18154/RWTH-2025-04671

Additive manufacturing of piezoelectric thin films with perovskite and fluorite structure by chemical solution deposition for MEMS applications

Lübben, Jan^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Lübben, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Gillner, Arnold (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-04-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04671
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1011717/files/1011717.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
In dieser Dissertation wird ein innovativer Ansatz für die additive Fertigung von piezoelektrischen Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) vorgestellt, der Tintenstrahldruck und chemische Lösungsabscheidung (CSD) kombiniert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Herstellung von Dünnschichten aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und Lanthan-Nickel-Oxid (LNO) für Aktuatoranwendungen. Zudem werden Hafnium-Oxid-basierte piezoelektrische Materialien als potenzielle bleifreie und CMOS-kompatible Alternativen zu PZT für MEMS-Bauteile untersucht. Durch die Integration des digitalen Tintenstrahldrucks mit lasergestützter Kristallisation sollen Herausforderungen wie hoher Materialverbrauch, aufwendige Nachbearbeitungsschritte bei hohen Temperaturen und mangelnde Flexibilität in der Strukturierung bewältigt werden. Zu den zentralen Beiträgen der Arbeit gehört die erfolgreiche Abscheidung von PZT- und LNO-Dünnschichten mittels Tintenstrahldruck. Dieses Verfahren ermöglicht es, komplexe Schichtstrukturen ohne zusätzliche Lithografieschritte zu realisieren. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die gezielte Steuerung der Lösungsmittelverdunstung gelegt, um homogene Schichten zu erzielen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Tintenstrahldruck ein skalierbares, effizientes Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer MEMS ist, das erhebliche Vorteile hinsichtlich Materialeffizienz und Flexibilität für kundenspezifische Anwendungen bietet. Die Kombination dieser Technik mit präzisen lokalen Wärmebehandlungen markiert einen bedeutenden Fortschritt in der MEMS-Fertigung. Zusätzlich werden die piezoelektrischen Eigenschaften von dotiertem Hafnium-Oxid untersucht. Dabei konnte erstmals experimentell ein negativer longitudinaler piezoelektrischer Koeffizient mithilfe der Doppelstrahl-Laserinterferometrie (DBLI) nachgewiesen werden. Ein Schwerpunkt lag auf der Untersuchung des sogenannten Wake-up-Effekts in ferroelektrischem Hafnium-Oxid. Es wurde gezeigt, dass dieser Effekt die feldinduzierte Auslenkung negativ beeinflusst. Da aus der Literatur bereits Strategien zur Unterdrückung des Wake-up-Effekts bekannt sind, unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit das Potenzial von Hafnium-Oxid als bleifreies piezoelektrisches Material für CMOS-kompatible Produktionsumgebungen und zukünftige MEMS-Anwendungen.

This dissertation presents an innovative approach to the additive manufacturing of piezoelectric microelectromechanical systems (MEMS), combining inkjet printing and chemical solution deposition (CSD). The focus is on fabricating thin films of lead zirconate titanate (PZT) and lanthanum nickel oxide (LNO) for actuator applications. Furthermore, hafnium oxide based piezoelectric materials are explored as potential lead-free and CMOS-compatible alternatives to PZT for MEMS devices. By integrating digital inkjet printing with laser-assisted crystallization, this work aims to address challenges such as high material consumption, complex high-temperature post-processing steps, and limited flexibility in patterning. A central contribution of this study is the successful deposition of PZT and LNO thin films via inkjet printing. This process enables the realization of complex layer structures without the need for additional lithography steps. Special emphasis is placed on the precise control of solvent evaporation to achieve homogeneous layers. The results demonstrate that inkjet printing is a scalable and efficient process for the production of piezoelectric MEMS, offering significant advantages in material efficiency and customization for specific applications. Combining this technique with precise localized heat treatments represents a major advancement in MEMS manufacturing. Additionally, the piezoelectric properties of doped hafnium oxide are investigated, with the first experimental observation of a negative longitudinal piezoelectric coefficient using double-beam laser interferometry (DBLI). A significant focus is on the so-called wake-up effect in ferroelectric hafnium oxide, which is shown to negatively impact field-induced displacement. Since strategies for suppressing the wake-up effect are already available in the literature, the findings of this work emphasize the potential of hafnium oxide as a lead-free piezoelectric material in CMOS-compatible production environments and for future MEMS applications.

OpenAccess:
PDF
(additional files)