Erhöhte Gitterpolarisierbarkeit durch Abschreckung in bleifreien Ferroelektrika

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Joachim Kleebe, seit 1/2022
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414311761

Piezoelektrische Materialien machen etwa 25% des Weltmarktes für Elektrokeramik aus und sollen aufgrund ihres Miniaturisierungspotentials weiter wachsen. Während die meisten dieser Anwendungen das Perowskit Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) verwenden, werden Schritte unternommen, um es aufgrund von eskalierenden Bedenken hinsichtlich Toxizität und Umweltschäden durch bleifreie Alternativen zu ersetzen. Umfangreiche Forschung zu bleifreien Ferroelektrika in den letzten zwei Jahrzehnten hat zu einem allgemeinen Konsens geführt, dass es keine einzige Klasse von bleifreiem Material gibt, die das vielseitige PZT ersetzen könnte. Bleifreie Piezokeramiken können PZT ersetzent, und zwar zuerst in Hochleistungs-Ultraschallanwendungen, die relativ niedrige Anforderungen verlangen. Unter den verschiedenen bleifreien Materialien bieten Bismut (Bi) -basierte Materialien erhebliche Vorteile. Die (1-x)Na1/2Bi1/2TiO3-xBaTiO3 (NBT-BT)-Zusammensetzungen sind aufgrund ihrer außergewöhnlich guten hohen Leistungseigenschaften im Vergleich zu PZT vorteilhaft. BiFeO3 mit Bi3+, das ähnlich wie Pb2+ einen freien Elektronenpaar-Effekt aufweist, ist ein weiteres viel versprechendes Material, das in Zukunft PZT für Hochtemperaturanwendungen übertreffen kann. Diese Materialien müssen jedoch genau auf die spezifischen Bedingungen im Gerätebetrieb abgestimmt werden.Kürzlich wurde gezeigt, dass Abschrecken die thermische Stabilität und die ferroelektrischen Eigenschaften von Bi-basierten Ferroelektrika verbessert. In diesem Projekt wird die Rolle des Abschreckens der Bi-bastierten Materialien untersucht, um (a) die Abschreckbedingungen zu optimieren, Mikrorisse zu vermeiden und die gewünschten Materialeigenschaften zu erhalten, (b) den strukturellen Ursprung der erhöhten Gitterverzerrung zu verstehen, erhöhte thermische Stabilität und verbesserte ferroelektrische Eigenschaften zu erreichen und (c) das Abschrecken als alternativer Verarbeitungsweg zu etablieren. Dies wird erreicht, indem die repräsentativen relaxor NBT-BT- und ferroelektrischen BF-BT-Zusammensetzungen untersucht werden. Die in dem Vorschlag diskutierten Vorarbeiten liefern die Grundlage für die Optimierung der Abschreckbedingungen, die zusammen mit elektrischen und mechanischen Eigenschaftsmessungen die Verarbeitungswege festlegen. Die Struktur wird mit Hilfe von Synchrotronbeugung, der Paarverteilungsfunktionsanalyse und der Transmissionselektronenmikroskopie untersucht, um die Kationenordnung, sowie die Bi3+-zentrierende und durch Abschreckung induzierten Phasenverschiebungen zu analysieren. Im speziellen Fall von relaxoren wird die Abschreckung induzierte ferroelektrische Ordnung aus der detaillierten Charakterisierung und Quantifizierung polarer Nanobereiche untersucht. Es wird erwartet, dass die umfassende Struktur-Mikrostruktur-Prozessierung-Eigenschaft-Korrelation, die aus dieser Studie abgeleitet wurde, das Abschrecken als ein allgemeines Werkzeug zur Anpassung der Eigenschaften funktioneller Materialien fördert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jacob Jones
• Ehemalige Antragstellerin: Lalitha Kodumudi Venkataraman, Ph.D., bis 1/2022