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Inverse Signalwandlung bei großen elektrischen Feldgradienten in Ferroelektrika

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
 
Erstellungsjahr 2024

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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