Einfluss der Defektchemie auf ferroelektrische Eigenschaften von (K0.5 Na0.5)NbO3

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe; Dr. Till Frömling
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419400593

Die bleifreie Piezokeramik (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN) zeichnet sich durch einen großen piezoelektrischen Koeffizienten d_33, hervorragende Dehnungseigenschaften, eine hohe Curietemperatur T_C und einen hohen mechanischen Qualitätsfaktor Q_m aus. Trotz der optimierten piezo- und ferroelektrischen Eigenschaften ist KNN in technischen Anwendungen mit wenigen Ausnahmen bisher kaum zu finden, da das Material typischerweise hohe Leckströme aufweist und die Dichte der Keramiken oft zu gering ist. Die Leckströme entstehen meistens durch intrinsische oder extrinsische Defekte, welche die elektrische Leitfähigkeit erhöhen. Bisher wurde typischerweise davon ausgegangen, dass die Erkenntnisse zur Punktdefektthermodynamik und Kinetik bleihaltiger Materialien direkt auf die bleifreien Systeme übertragbar sind. Allerdings zeigt das Beispiel der hohen Ionenleitfähigkeit von ~0.01 S/cm in Mg-dotiertem (Na1/2Bi1/2)TiO3, dass die einfache Übertragung der defektchemischen Eigenschaften von bleihaltigen auf bleifreie Keramiken nicht zulässig ist. Dieses zeigt sich auch daran, dass Dotierungen in KNN in der Regel weniger starke Änderungen in Bezug auf härtere oder weichere ferroelektrische Eigenschaften induzieren, als es durch den Vergleich mit bleibasierten Materialien zu erwarten wäre. Allerdings gibt es sogar auch für bleihaltige Keramiken neue Anstrengungen, die Defektchemie genauer zu bestimmen, um neue Anforderungen zu erfüllen, oder Alterungs- und Degradationsmechanismen besser zu beschreiben. Damit bleifreie Keramiken Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen können, ist die Aufklärung der Defektchemie somit von Beginn an sinnvoll. Durch die Kombination aus experimenteller Untersuchung der Keramiken mit Hilfe von Leitfähigkeitsmessungen und quantenmechanischer Modellierung der Defektinteraktion wird es möglich sein, den Einfluss verschiedener Donor und Aktzeptordotanden aufzuklären. Natürlich werden auch Mikrostruktur und Phasenumwandlungen studiert, um den Beitrag der Defektchemie zu den gemessenen Effekten bestimmen zu können. Die ferroelektrischen Eigenschaften werden temperaturabhängig und abhängig von der Höhe und Anlegungsdauer des Polungsfelds bestimmt. Dadurch lassen sich frühzeitig Rückschlüsse auf mögliche Degradations- und Alterungsmechanismen gewinnen, die durch migrierende Defektspezies induziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen