Defect chemistry and electromechanical properties of piezoelectric Ca3TaGa3Si2O14 single crystals at extreme temperatures

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Holger Fritze; Dr. Andrey Sotnikov
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2015 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 266465665

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Ausgehend von der Bestimmung grundlegender Eigenschaften wie thermische Ausdehnung, Wärmeleitung, Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz, charakteristische BAW- und SAW-Phasengeschwindigkeiten sowie einer detaillierten Untersuchung der elektromechanischen Eigenschaften und der atomaren Transportmechanismen von CTGS bei Temperaturen bis 1000 °C in der ersten Projektphase, werden im Rahmen der Fortsetzung wesentliche wissenschaftliche Fragestellungen im Bereich der akustischen Verluste von CTGS-Volumenkristallen, der nichtlinearen Effekte und dem Einsatz akustischen Oberflächenwellen im Hochtemperaturbereich geklärt. Dazu wurden die atomaren Transportmechanismen weiter untersucht und mit den akustischen Eigenschaften bzw. Verlusten korreliert. Wesentliche Ergebnisse sind: • Die Sauerstoffdiffusionsexperimente deuten auf dominierende elektronische Leitung in CTGS hin. • Die elektromechanischen Verluste von CTGS bei hohen Temperaturen sind im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Kristallen gering. Die Verluste werden den entsprechenden physikalischen Mechanismen zugeordnet. Dabei ergibt sich beispielsweise eine gute Korrelation zwischen den Messungen der Verluste bei hohen Temperaturen und der Leitfähigkeit. • Wärmebehandlungen unter extrem reduzierenden Bedingungen führen nur zu langsamen Veränderungen an der CTGS-Oberfläche. • Der Schalldämpfungskoeffizient von CTGS-Kristallen im Mikrowellenfrequenzbereich von 1-6 GHz folgt bei Raumtemperatur einer quadratischen Funktion, die charakteristisch für den Akhiezer-Dämpfungsmechanismus durch thermische Phononen ist. • Die nachgewiesen geringe akustische Dämpfung von CTGS im GHz-Frequenzbereich besitzt große praktische Bedeutung für die Realisierung effizienter mikroakustischer Bauelemente mit drahtloser Abfrage wie z. B. Sensoren. • Die Schalldämpfung ist bei kryogenen Temperaturen im Frequenzbereich 10 - 100 MHz im Vergleich zu Raumtemperatur ca. 2-3 mal geringer, mit einer linearen Frequenzabhängigkeit des Dämpfungskoeffizienten. • Die Werte der CTGS-Viskositäten h11 und h33 sind im Mikrowellenbereich praktisch frequenzunabhängig, was einem Dämpfungsmechanismus nach Akhiezer entspricht. • Aus den gemessenen Daten von akustischer Dämpfung und den elastischen Konstanten wurden die zur Beschreibung von anharmonischen Effekten im Kristallgitter verantwortlichen Grüneisen-Konstanten unterschiedlicher BAW-Moden in CTGS abgeleitet. • Der Polarisationseffekt (Verschiebung der Resonanzfrequenz eines längsschwingenden piezoelektrischen Stabresonators durch ein externes elektrisches Gleichfeld) wurde für CTGS untersucht und ist vergleichbar mit dem des stark piezoelektrischen Lithiumniobats. • Für die Temperaturabhängigkeit von SAW-Resonatoren auf Y-Schnitt CTGS wurde ein stark lineares Verhalten der f(T)-Charakteristik bis zu 600 °C nachgewiesen. Die Hochtemperaturfähigkeit dieser SAW-Sensoren wurde auch durch laseroptische SAW-Wellenfeldmessungen bis zu 450 °C bestätigt.

Publications

• High-Temperature Acoustical and Electrical Properties of LGS, LGT and CTGS resonators, Solid State Phenomena 230 (2015) 267-272
  Y. Suhak, M. Schulz, D. Richter, H. Fritze
  
• Langasite-Type Resonant Sensors for Harsh Environments, MRS Advances 1 (2016) 1513-1518
  Y. Suhak, M. Schulz, H. Wulfmeier, W. L. Johnson, A. Sotnikov, H. Schmidt, S. Ganschow, D. Klimm, H. Fritze
  
• Dielectric, piezoelectric and elastic constants of Ca3TaGa3Si2O14 single crystals at elevated temperatures, Ferroelectrics 537 (2018) 255-263
  Y. Suhak, M. Schulz, A. Sotnikov, H. Schmidt, S. Ganschow, S. Sakharov and H. Fritze
  
• Electrical, Electromechanical and Piezoelectric Properties of Ca3TaGa3Si2O14 Resonators at Elevated Temperatures, Acta Physica Polonica, 133 (2018) 1069-1073
  Yu. Suhak, M. Schulz, A. Sotnikov, H. Schmidt, H. Fritze
  
• Electromechanical Properties and Charge Transport of Ca3TaGa3Si2O14 (CTGS) Single Crystals at Elevated Temperatures, Solid State Ionics 317 (2018) 221-228
  Y. Suhak, M. Schulz, W. L. Johnson, A. Sotnikov, H. Schmidt, H. Fritze
  
• Transport and Electromechanical Properties of Ca3TaGa3Si2O14 Piezoelectric Crystals at Extreme Temperatures, MRS Advances 4 (2019) 515-521
  Y. Suhak, W. L. Johnson, A. Sotnikov, H. Schmidt, H. Fritze
  
• Full set of piezo-optic and elasto-optic coefficients of Ca3TaGa3Si2O14 crystals at room temperature, Applied Optics 59 (2020) 8951-8953
  B. Mytsyk, Y. Suhak, N. Demyanyshyn, O. Buryy, N. Syvorotka, D. Sugak, S. Ubizskii, H. Fritze
  
• Anisotropy of piezo-optic and elasto-optic effects in langasite family crystals, Optical Materials 119 (2021) 111284
  M. Demyanyshyn, Y. Suhak, B. G. Mytsyk, О. А. Buryy, Y. Ya. Маksishko, D. Sugak, H. Fritze
  
• High-temperature electromechanical loss in piezoelectric langasite and catangasite crystals, J. Appl. Phys. 130 (2021) 085102
  Y. Suhak, H. Fritze, A. Sotnikov, H. Schmidt, W. L. Johnson
  
• Microwave Acoustic Attenuation in CTGS Single Crystals, IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 68 (2021) 3423-3429
  A. Sotnikov, B. Sorokin, N. Asafiev, D. Shcherbakov, G. Kvashnin, Y. Suhak, H. Fritze, M. Weihnacht, H. Schmidt