Inverse Signalwandlung bei großen elektrischen Feldgradienten in Ferroelektrika
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der inverse flexoelektrische Effekt wird in der Aktuatorik zur Umwandlung elektrischer Signale in mechanische Spannungen und damit gekoppelt in Dehnungen eingesetzt. Im Gegensatz zum direkten flexoelektrischen Effekt, der im Bereich der Energy Harvesting und Sensorik Anwendung findet, ermöglicht der inverse flexoelektrische Effekt die Erzeugung von Deformationen in verschiedenen Raumrichtungen für aktuatorische Zwecke. Im Gegensatz zum umgekehrten piezoelektrische Effekt, der in der Aktuatorik eingesetzt wird, und bei dem eine Änderung des elektrischen Feldes eine Deformation hervorruft, beschreibt der umgekehrte flexoelektrische Effekt Veränderungen der induzierten elastischen Spannungen aufgrund von Variationen des elektrischen Feldgradienten in dielektrischen Materialien. Diese elektrischen Feldgradienten zu erzeugen und deren Auswirkungen zu analysieren war das Ziel des praktischen Teils dieser Arbeit. Daneben wird die grundlegende Fragestellung untersucht, wie der Beitrag des inversen flexoelektrischen Effekts zur Energieumwandlung nachgewiesen werden kann. Hierfür wird das Konzept der Oberflächenelektroden auf einer PZT-Keramik (PIC151 von PI Ceramics) verwendet, da sich bei diesem Ansatz ein inhomogener elektrischer Feldverlauf im Material einstellt. Durch das Anlegen von oszillierenden Spannungssignalen konnten Auslenkungen in allen Raumrichtungen beobachtet werden. Um den piezoelektrischen Effekt vom inversen flexoelektrischen Effekt zu unterscheiden, wurden die Messungen im Temperaturbereich von 20°C bis 350°C durchgeführt, d.h. einschließlich Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur (Tc). Dabei wurden Deformationen der Festkörperanordnung über den gesamten Temperaturbereich festgestellt. Da der piezoelektrische Effekt oberhalb der Curie-Temperatur Tc keinen Beitrag zur Verformung liefert, wies dies auf einen Beitrag des inversen flexoelektrischen Effekts hin. Die dabei auftretenden signifikanten Deformationen von 30 bis 40 % im Vergleich zur Raumtemperatur konnten nicht mehr allein durch thermische Effekte erklärt werden und deuteten stark auf das Vorhandensein eines zusätzlichen Effekts hin. Da diese Deformationen stets durch die Veränderung der elektrischen Feldgradienten verursacht wurden, war die Annahme der Wirkung des flexoelektrischen Effektes äußerst wahrscheinlich. Von den ursprünglich im Antrag beschriebenen drei Strukturen wurden nur die Platte-Platte Anordnung genauer untersucht. Die runde, radialsymmetrische, Anordnung, welche jeweils einzeln mittig kontaktiert werden musste, verhinderte auf Grund dieser Kontaktierung eine optische Erfassung der gesamten Struktur, da Teile immer verdeckt blieben. Als praktisch unlösbar erwies sich bei dieser Anordnung eine Änderung des Feldgradienten, ohne dabei eine der Elektroden mechanisch zu deformieren. Da die Elektroden in einer planaren Grundanordnung fest fixiert sein mussten, war deren Deformation nicht möglich. Aufgrund dieser Tatsachen wurde auf diese Untersuchungen verzichtet. Die Spitze-Platte-Anordnung wurde nicht näher betrachtet weil in der Platte-Platte-Anordnung die Plattenränder jeweils Spitzen im Feld bilden. Daher entspricht aus symmetrischen Gründen das Viertelfeld zwischen zwei Platten an der Plattenkante einer Spitze-Platte-Anordnung. Der Abschlussbericht konzentriert sich somit auf Feldausschnitte der Platte-Platte-Anordnung, in denen die Untersuchung der Wirkung des flexoelektrischen als auch des inversen flexoelektrischen Effektes möglich war.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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An isogeometric approach to flexoelectric effect in ferroelectric materials. International Journal of Solids and Structures, 162, 198-210.
Liu, Chang; Wang, Jie; Xu, Gang; Kamlah, Marc & Zhang, Tong-Yi
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Stroboscopic Video Microscopy for In-Plane Motion Measurements Up to 2 MHz with Picometer Resolution. 2021 IEEE 34th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 1040-1043. IEEE.
Voss, Andrej; Seyfert, Lars & Hemmert, Werner
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“Ferroelectric Ceramics for Actuator and Sensor Applications: Finite-Element-Modeling of Lead- Free Composites and Electrode ConFigureations.”, MSE/P3T1 seminar series Functionality by Information-guided Design, Karlsruhe Institute of Technology (December 2021)
F. Streich, F. Sutter, K.G. Webber, A. Martin, N. Schwesinger, L. Seyfert & M. Kamlah
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A variational framework for microscopically motivated modeling of ferroelectric materials.”, 5th African Conference on Computational Mechanics, Cape Town, South Africa (November 2022)
F. Sutter & M. Kamlah
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Contribution of converse flexoelectric effect in PZT ceramics in presence of strong electrical fields. Active and Passive Smart Structures and Integrated Systems XVI, 42. SPIE.
Seyfert, Lars; Schwesinger, Norbert; Voss, Andrej & Hemmert, Werner
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Stroboscopic video microscopy with sub-nanometer accuracy for characterizing and monitoring MEMS. Nondestructive Characterization and Monitoring of Advanced Materials, Aerospace, Civil Infrastructure, and Transportation XVI, 49. SPIE.
Voss, Andrej; Seyfert, Lars; Schwesinger, Norbert & Hemmert, Werner
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“Finite Element Analysis of the Nonlinear Material Behavior of Ferroelectrics Under Complex Load Scenarios.”, ASME Conference on Smart Materials, Adaptive Structures, and Intelligent Systems, Dearborn, Michigan, USA (September 2022)
F. Sutter & M. Kamlah
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“Thermodynamically consistent and microscopically motivated modeling of ferroelectric materials within a variational framework.”, 11th European Solid Mechanics Conference, Galway, Ireland (July 2022)
F. Sutter & M. Kamlah
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“Variational modeling of ferroelectric materials in a microscopically motivated framework.”, 9th GACM Colloquium on Computational Mechanics, Essen, Germany (September 2022)
F. Sutter & M. Kamlah
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Variational free energy based macroscopical modeling of ferroelectroelasticity. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 178, 105341.
Sutter, Felix & Kamlah, Marc
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“Materiell nichtlineare Kontinuumsmodellierung ferroelektrischer Funktionskera miken mit piezoelektrischen und flexoelektrischen Eigenschaften.”, Dissertation, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 2023,
F. Sutter
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“Microscopically motivated continuum modeling of domain switching effects in ferroelectrics.”, 2023 Spring Meeting of the European Materials Research Society (E-MRS), Strasbourg, France (May 2023)
F. Sutter & M. Kamlah
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“On the continuum modeling of flexoelectricity in ferroelectric materials.”, 10th GACM Colloquium on Computational Mechanics, Vienna, Austria (September 2023)
F. Sutter & M. Kamlah
