Züchtung von piezoelektrischen Einkristallen der Verbindungsgruppe Ca4SEEO(B03)3 (SEE = Seltenerdelemente Gd, La, Sm und Y) für mikroakustische Bauteile im Hochtemperaturbereich
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Züchtung von Oxoboraten unter teils verschiedener Parameterwahl ist prinzipiell möglich. Von drei Oxoboraten (LaCOB, GdCOB, YCOB) konnte erfolgreich ein einphasiges, polykristallines Pulver synthetisiert oder ein Einkristall gezüchtet werden. Lediglich SmCOB-Einkristalle konnten nicht komplett einkristallin gezüchtet werden. Möglicherweise steht dies im Zusammenhang mit einem Valenzwechsel des Sm3+ bei hohen Temperaturen. Die Qualität der gezüchteten Kristalle kann als gut eingeschätzt werden, dies ergeben Ätzversuche zur Prüfung auf Versetzungsdichten innerhalb der Kristalle. Wenige Einkristalle, vorrangig die des GdCOB, zeigten Einschlüsse fremder Phasen, die sich jedoch durch entsprechende Versuchsplanung vermeiden lassen. Strukturvermessungen ergaben, dass SEECOB mit kleiner werdendem Seltenerdelementradius eine erhöhte Mischbesetzung aufweisen, die zusätzlich temperaturabhängig ist. Ansonsten gehören die SEECOB der Raumgruppe Cm an und unterscheiden sich durch eine leichte Variation der Gitterparameter entsprechend dem verwendeten Seltenerdoxid. Dies könnte im Zusammenhang mit einer oder mehrerer Anomalien stehen, die bei Messungen der thermischen Dehnung oder physikalischen Wärmekapazität feststellbar ist/sind. Diese Anomalie ist offensichtlich in ihrer Ausprägung vom eingesetzten Seltenerdelement abhängig, jedoch lässt sich bezüglich der Temperatur kein linearer Zusammenhang herstellen. Diese Anomalie wurde nur noch durch Mougel et al. (1998) erwähnt, jedoch nicht interpretiert. Aufgrund fehlender Heizelemente waren Untersuchungen am Einkristall oberhalb der Temperatur des Auftretens der Anomalie noch nicht möglich. Unbekannt war bisher, wie sich diese Anomalie thermisch äußert, dass sie voraussichtlich bei allen Oxoboraten auftritt, nicht im Zusammenhang mit einer Bewegung der [BO3]-Gruppen steht, jedoch eventuell ein Zusammenhang mit der bisher ebenfalls nicht beschriebenen Änderung der Mischbesetzung mit steigenden Temperaturen besteht. Damit einhergehend ist unbekannt, ob die Anomalie, sei es ein hypothetischer Phasenübergang oder ein gleichwertiges Phänomen, Auswirkungen auf das physikalische Verhalten der Oxoborate ausübt. Dies gilt es auch im Hinblick auf eine Anwendung als Hochtemperatur-Piezoelektrikum aufzuklären.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2011): Growth and Structure of Ca4La[O|(BO3)3], Journal of Crystal Growth 320, 90–94
Reuther, C., Möckel, R., Hengst, M., Götze, J., Schwarzer, A. & Schmidt, H.
- (2012): Growth and Properties of GdCa4O(BO3)3 single crystals, Dissertationsschrift, TU Bergakademie Freiberg
Möckel, R.
- (2012): REECa4O(BO3)3 (REECOB): New material for high-temperature piezoelectric applications, Minerals as advanced materials II, Springer-Verlag
Möckel, R., Hengst, M., Götze, J., Heide & G. Krivovichev, S.
- (2013): REECOB: 20 years of rare earth element calcium oxoborates crystal growth research, Journal of Crystal Growth 371, 70–76
Möckel, R., Reuther, C. & Götze, J.
- (2013): Züchtung und Charakterisierung von Sr3Gd2[BO3]4-Einkristallen, Dissertationsschrift, TU Bergakademie Freiberg
Reuther, C.
- (2015): Synthesis and optical characterization of Gd-neso-borate single crystals, Chemie der Erde - Geochemistry 75, 317–322
Reuther, C., Möckel, R., Götze, J., Hengst M. & Heide, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.chemer.2015.04.004)
