dc.contributor.advisor |
Kölle, Dieter (Prof. Dr.) |
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dc.contributor.author |
Becker, Maximilian Thomas |
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dc.date.accessioned |
2022-01-20T17:03:27Z |
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dc.date.available |
2022-01-20T17:03:27Z |
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dc.date.issued |
2022-01-20 |
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dc.identifier.uri |
http://hdl.handle.net/10900/123412 |
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dc.identifier.uri |
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-1234124 |
de_DE |
dc.identifier.uri |
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-64776 |
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dc.description.abstract |
Die vorliegende kumulative Dissertation diskutiert den herausfordernden und
spannenden Weg, die herausragenden physikalischen Eigenschaften von funktionalen
Oxidmaterialien für die Entwicklung neuer Anwendungen und Bauelemente
zu nutzen, wobei der Schwerpunkt die Integration von bleifreien
ferroelektrischen Dünnschichten in die Bioelektronik bildet. Die kumulative
Dissertation umfasst vier Publikationen – Publikation I - IV – und ist wie
folgt gegliedert.
Der erste Teil (Publikation I + II) widmet sich der gepulsten Laserablation
(PLD) von bleifreien 0.5(Ba0:7Ca0:3)TiO3-0.5Ba(Zr0:2Ti0:8)O3 (BCZT) ferroelektrischen
Dünnschichten auf verschiedenen Substraten und ihrer detaillierten
elektrischen Charakterisierung und Analyse mittels Impedanzspektroskopie.
Für die Entfaltung der gemessenen Impedanzspektren durch fitten der
Daten mit einem Ersatzschaltkreis-Modell wird ein neues Ersatzschaltbild-
Element – das Domänenwand-Pinning-Element – eingeführt, welches auf
der Theorie des Grenzflächen-Pinnings in zufälligen Systemen basiert und
das die Impedanz eines Ferroelektrikums einschließlich des Beitrags der
Domänenwand-Bewegung im “Sub-Switching”-Regime modelliert. Dieser Ansatz
wird auf Impedanzspektren angewandt, welche an polykristallinen und
epitaktischen BCZT-Dünnschicht-Kondensatoren gemessen wurden, und die
durch Domänenwand-Bewegung induzierte feld- und frequenzabhängige dielektrische
Antwort der BCZT-Filme wird durch Domänenwand-Pinning-
Element-Modellierung und fitten der Daten mit einem Ersatzschaltkreis-
Modell extrahiert. Darüber hinaus wird eine erweiterte Rayleigh-Analyse
vorgestellt, welche es erlaubt, die Kopplungsstärke zwischen dielektrischer
Nichtlinearität und Frequenzdispersion zu quantifizieren und unterschiedliche
Regimes der Domänenwandbewegung in den BCZT-Filmen zu identifizieren.
Die entsprechende Domänenwand-Dynamik in den BCZT-Dünnschichten
wird detailliert diskutiert und ein schematisches Diagramm der unterschiedlichen
Regimes der Domänenwandbewegung wird vorgestellt. Die Ergebnisse
der erweiterten Rayleigh-Analyse, welche an epitaktischen und polykristallinen
BCZT-Filmen gewonnen wurden, zeigen, dass das Vorhandensein von
Korngrenzen in BCZT die Kopplungsstärke zwischen dielektrischer Nichtlinearität
und Frequenzdispersion reduziert und die Bewegung der internen
Domänenwandsegmente unterdrückt, wobei ebenfalls die irreversible Schwerpunktsbewegung der Domänenwände unterdrückt ist.
Im zweiten Teil (Publikation III) werden Mikroelektroden auf der Basis
von leitfähigen gesputterten IrO2-Filmen (SIROFs) - die als elektro-neurale
Schnittstellen für die subretinale Stimulation in der modernen Netzhautprothese
“Retina Implant Alpha AMS” eingesetzt werden - mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und anschließendem fitten der Daten
mit einem Ersatzschaltkreis-Modell detailliert analysiert. Das superkapazitive
Verhalten der untersuchten SIROF-Mikroelektroden wird durch eine Pseudokapazität
Cp parallel zur Kapazität der elektrochemischen Doppelschicht
CDL modelliert, und beide Kapazitäten werden durch ein Constant phase
element (CPE) im Ersatzschaltbild dargestellt. Durch fitten der gemessenen
EIS-Daten mit dem Ersatzschaltbild-Modell werden Cp und CDL aus den
erhaltenen CPE-Fit-Parametern quantifiziert, und das resultierende superkapazitive
Verhalten ist in Übereinstimmung mit zyklischen Voltammetrie
Messungen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Pseudokapazität Cp aufgrund
quasi-kontinuierlicher reversibler Reduktion und Oxidation zwischen Ir3+/
Ir4+-Valenzzuständen den dominanten Beitrag zur Superkapazität und zur
Ladungsinjektionskapazität (CIC) der untersuchten SIROF-Mikroelektroden
darstellt.
Im dritten Teil (Publikation IV) wird schließlich ein neuer Ansatz für
die bioelektronische Kopplung elektrogener Zellen oder Gewebe vorgestellt,
bei dem eine leitfähige Mikroelektrode, welche mit einer isolierenden ferroelektrischen
Schicht beschichtet ist, zur extrazellulären elektrischen Stimulation
verwendet wird. Es wird gezeigt, dass der ferroelektrische Polarisationsstrom
zum extrazellulären Stimulationsstrom beiträgt, welcher von der
ferroelektrischen Mikroelektrode generiert wird. Das Schaltverhalten einer
ferroelektrischen Mikroelektrode in einer Elektrolyt-Ferroelektrikum-Leiter-
Konfiguration wird auf der Grundlage des traditionellen Kolmogorov-Avrami-
Ishibashi (KAI)-Modells analysiert, und der zeitabhängige Stimulationsstrom
als Reaktion auf eine angelegte Spannungsstufe wird für eine generische
Mikroelektroden-Geometrie simuliert. Es wird gezeigt, dass in Abhängigkeit
von der remanenten Polarisation Pr des verwendeten Ferroelektrikums, der
Polarisationsstrom beim Umschalten der ferroelektrischen Polarisation, die
CIC um bis zu zwei Größenordnungen im Vergleich zur üblicherweise verwendeten
extrazellulären kapazitiven Stimulation mit Mikroelektroden, welche
mit einer isolierenden dielektrischen Schicht beschichtet sind, erhöhen kann.
Die Ergebnisse ebnen den Weg für die extrazelluläre elektrische Stimulation
mit kleinen Mikroelektroden ( 30 um im Durchmesser) ohne schädliche
elektrochemische Effekte, was für implantierbare Neuroprothesen wie hochauflösende
Retina-Implantate oder Gehirn-Maschine-Schnittstellen äußerst
wichtig ist. |
de_DE |
dc.description.abstract |
The present cumulative thesis discusses the challenging and exciting way to
utilize the outstanding physical properties of functional oxide materials for
the development of new applications and devices, with a focus on the integration
of lead-free ferroelectric thin films into bioelectronics. The cumulative
thesis comprises four publications – Publication I - IV – and is organized as
follows.
The first part (Publication I + II) is devoted to the pulsed laser deposition
(PLD) of lead-free 0.5(Ba0:7Ca0:3)TiO3-0.5Ba(Zr0:2Ti0:8)O3 (BCZT) ferroelectric
thin films on different substrates and their detailed electrical characterization
and analysis by impedance spectroscopy. For the deconvolution of
measured impedance spectra by equivalent-circuit fitting, a new equivalentcircuit
element based on the theory of interface pinning in random systems –
the domain wall pinning element – is introduced which models the impedance
of a ferroelectric including the contribution from domain-wall-motion in the
subswitching regime. This approach is applied to impedance spectra collected
on polycrystalline and epitaxial BCZT thin film capacitor stacks, and
the domain-wall-motion induced field- and frequency-dependent dielectric response
of the BCZT films is extracted by domain wall pinning element modeling
and equivalent-circuit fitting. Moreover, an extended Rayleigh analysis
is presented which allows one to quantify the coupling strength between
dielectric nonlinearity and frequency dispersion and the identification of different
domain-wall-motion regimes in the BCZT films. The corresponding
domain-wall dynamics in the BCZT thin films is discussed in detail and a
schematic diagram of the different domain-wall-motion regimes is presented.
The results from the extended Rayleigh analysis – obtained on epitaxial and
polycrystalline BCZT films – indicate, that the presence of grain boundaries
in BCZT reduces the coupling strength between dielectric nonlinearity and
frequency dispersion and suppresses the motion of internal domain-wall segments
in addition to the suppression of the irreversible center-of-mass motion
of the domain walls.
In the second part (Publication III), microelectrodes based on conductive
sputtered IrO2 films (SIROFs) – which are utilized to provide electro–neural
interfaces for subretinal stimulation in the state-of-the-art retinal prosthesis
“Retina Implant Alpha AMS” – are analyzed in detail by electrochemical
impedance spectroscopy (EIS) and subsequent equivalent-circuit analysis.
The supercapacitive behavior of the investigated SIROF-microelectrodes is
modeled by a pseudocapacitance Cp in parallel to the capacitance of the
electrochemical double layer CDL, and both capacitances are represented by
a constant phase element (CPE) in the equivalent-circuit model. By fitting
the measured EIS data with the equivalent-circuit model, Cp and CDL are
quantified from the obtained CPE fit parameters, and the resulting supercapacitive
behavior is in agreement with cyclic voltammetry measurements.
The results indicate, that the pseudocapacitance Cp due to quasi-continuous
reversible reduction and oxidation between Ir3+/ Ir4+ valence states is the
dominant contribution to the supercapacitance and to the charge injection
capacity (CIC) of the investigated SIROF-microelectrodes.
Finally, in the third part (Publication IV), a new approach for bioelectronic
interfacing of electrogenic cells or tissue is introduced, which utilizes
a conductive microelectrode coated with an insulating ferroelectric layer for
extracellular electrical stimulation. It is shown, that the ferroelectric polarization
current contributes to the extracellular stimulation current provided
by the ferroelectric microelectrode. The switching regime of a ferroelectric
microelectrode in an electrolyte–ferroelectric–conductor configuration is analyzed
based on the traditional Kolmogorov-Avrami-Ishibashi (KAI)-model
and the time-dependent stimulation current in response to an applied voltage
step is simulated for a generic microelectrode geometry. It is shown that,
depending on the remanent polarization Pr of the utilized ferroelectric, the
polarization current in the switching regime can increase the CIC by up to
two orders of magnitude as compared to the commonly used extracellular
capacitive stimulation with microelectrodes coated with an insulating dielectric
layer. The results pave the way for extracellular electrical stimulation
with small microelectrodes (30 um in diameter) without toxic electrochemical
effects, which is crucial for implantable neuroprosthetic devices such as
high-resolution retinal-implants or brain-machine interfaces. |
en |
dc.language.iso |
en |
de_DE |
dc.publisher |
Universität Tübingen |
de_DE |
dc.rights |
ubt-podok |
de_DE |
dc.rights.uri |
http://tobias-lib.uni-tuebingen.de/doku/lic_mit_pod.php?la=de |
de_DE |
dc.rights.uri |
http://tobias-lib.uni-tuebingen.de/doku/lic_mit_pod.php?la=en |
en |
dc.subject.ddc |
500 |
de_DE |
dc.subject.ddc |
530 |
de_DE |
dc.subject.ddc |
600 |
de_DE |
dc.subject.other |
Ferroelektrische Materialien, Gepulste Laserablation, Impedanzspektroskopie, Bioelektronische Bauelemente |
de_DE |
dc.subject.other |
Ferroelectric Materials, Pulsed Laser Deposition, Impedance Spectroscopy, Bioelectronic Devices |
en |
dc.title |
Functional oxide thin films for micromechanical and bioelectronic devices |
en |
dc.type |
PhDThesis |
de_DE |
dcterms.dateAccepted |
2021-07-20 |
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utue.publikation.fachbereich |
Physik |
de_DE |
utue.publikation.fakultaet |
7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät |
de_DE |
utue.publikation.noppn |
yes |
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