Polarisationsumschaltung in bleifreien Ferroelektrika: statistische Theorie und Experimente

• Antragsteller: Professor Dr. Yuri A. Genenko; Professor Jurij Koruza, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270195408

Die feldgetriebene Umschaltung der spontanen Polarisation in polykristallinen Ferroelektrika ist ein fundamentaler Prozess, der eine zentrale Rolle in Anwendungen, wie z.B. in ferroelektrischen Speichern, spielt. Wegen der nichtlokalen Wechselwirkung von Polarisationsdomänen über Depolarisationsfelder sollte dieser Prozess starken räumlichen Korrelationen unterliegen. Andererseits ist zu erwarten, dass sich das Polarisationsmuster auch der lokalen zufälligen Kristallstruktur anpasst. Diese bis jetzt in keiner Theorie der statistischen Response berücksichtigten Korrelationen spiegeln sich in der statistischen räumlichen Verteilung des angelegten elektrischen Feldes wider, das wiederum die Umschaltdynamik der Polarisation bestimmt. Ziel dieses Vorhabens ist es, die oben genannten unvermeidbaren Korrelationen zu berücksichtigen, indem die statistischen Charakteristika des zufälligen lokalen Feldes aus den mikroskopischen und makroskopischen Eigenschaften des Mediums - der lokalen Phasensymmetrie der Kristallite, Anisotropie, Textur und Korrelation der Kristallausrichtungen - hergeleitet werden. Die so erstellte Theorie erlaubt Rückschlüsse auf dynamische Eigenschaften des Mediums. Die theoretische Untersuchung basiert auf dem kürzlich in der Arbeitsgruppe entwickelten IFM (Engl. - Inhomogeneous Field Mechanism) Konzept des Polarisationsumschaltens und soll wie bisher in enger Zusammenarbeit mit Experimenten verlaufen. Das experimentelle Vorhaben ist auf bleifreie Ferroelektrika der (K,Na)NbO3 Familie mit unterschiedlich geordneter Mikrostruktur - wie Einkristalle, epitaxiale Dünnschichten, polykristallinen dünne Schichten und massive Keramiken - fokussiert. Umschaltvorgänge werden über eine Zeitspanne von neun Größenordnungen (10^(-6) bis 10^3 s für massive Keramiken und 10^(-9) bis 1 s für dünne Schichten) untersucht. Um die Schaltmechanismen aufzuklären, werden elektrische Messungen durch eine ausführliche Strukturcharakterisierung unterstützt, die unter anderem die in situ zeitaufgelöste Hochenergie-Röntgenbeugungsanalyse einschließt. Mithilfe der engen Verknüpfung von Theorie und Experiment soll ein besseres Verständnis und damit auch eine effektive Kontrolle der Polarisationsumschaltdynamik durch die gezielte Einstellung struktureller Materialeigenschaften erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Japan, Slowenien, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hiroshi Funakubo; Professor Dr. Jacob Jones; Dr. Mario Maglione; Professor Dr. Ahmad Safari; Dr. Philippe Veber
• Mitverantwortlich(e): Professorin Barbara Malic