Inverse Signalwandlung bei großen elektrischen Feldgradienten in Ferroelektrika

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marc Kamlah; Professor Dr.-Ing. Norbert Schwesinger
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391065131

Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist es, das Verständnis des Verhaltens der ferroelektrischen Klasse piezoelektrischer Materialien zu vertiefen, wenn hohe elektrische Felder und starke elektrische Feldgradienten herrschen. Es werden sowohl Piezoelektrizität als auch Flexoelektrizität betrachtet. Flexoelektrizität ist die elektromechanische Kopplung zwischen dem Gradienten der mechanischen Dehnung und der elektrischen Polarisation. In letzter Zeit hat die wissenschaftliche Forschung speziell der Flexoelektrizität in Ferroelektrika zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt. DieUntersuchungen werden in einer Kooperation zwischen der Technischen Universität München (TUM) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ausgeführt. Die Gruppe an der TUM wird vor allem die experimentellen Untersuchungen verantworten, während die Gruppe am KIT an der theoretischen Untersuchung, d.h. Modellierung und Simulation, arbeiten wird. Die Ziele und die Arbeiten sind in zwei Teile gegliedert. Das erste Ziel, bei dem es in erster Linie um hohe elektrische Felder geht, besteht im Studium von Aktuatoren mit einseitigen interdigitalen Elektrodenstrukturen (IDE) mit Hilfe einer Theorie für das Großsignal-Hystereseverhalten. Dies soll sowohl im Hinblick auf das Verstehen und die Optimierung der Aktuatordeformation geschehen, als auch im Hinblick auf die Untersuchung des Aktuationspotenzials bei spezieller Berücksichtigung eventueller piezoelektrischer Nichtlinearitäten. Das zweite Ziel, das mit starken elektrischen Gradienten im Zusammenhang steht, betrifft den inversen flexoelektrischen Effekt. Für die Aktuatoren mit einseitigen IDE-Strukturen bedeutet dies zumeinen die Untersuchung des Ausmaßes des inversen flexoelektrischen Effekts und zum anderen das Verstehen des Beitrags des inversen flexoelektrischen Effekts zur Aktuation. Es wird erwartet, dass die Anwendung starker elektrischer Gradienten zu neuartigem Verhalten führt. Im Hinblick auf die obigen Ziele schlagen wir vor, folgendes zu studieren: 1) piezoelektrische Nichtlinearität: eingefrorene Domänen werden mobil (d.h. nutzbar), was eine Zunahme der piezoelektrischen Koeffizienten bewirkt. 2) inverse Flexoelektrizität: ein stark inhomogenes elektrisches Feld mit ausgeprägten Gradienten führt zur Aktivierung des inversen flexoelektrischen Effekts. 3) piezoelektrische-flexoelektrische Kopplung: Es gibt derzeit praktisch keine Informationen über das Zusammenspiel dieser beiden Effekte. Die in diesem Projekt gewonnenen Kenntnisse haben wichtige Konsequenzen für die Praxis. Beispielsweise können sie ermöglichen, ausfallsichere Aktuatoren zu realisieren, die bei Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur piezoelektrischer Keramiken funktionieren. Diese Aktuatoren könnten dann als aktive Komponenten in Systemen unter extremen äußeren Bedingungen dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen