Einfluss der Defektchemie auf ferroelektrische Eigenschaften von (K0.5 Na0.5)NbO3
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Seit etwa 20 Jahren werden bleifreie Ferroelektrika als umweltfreundlicher und leistungsstarker Ersatz für bleihaltige Keramiken erforscht, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf den piezoelektrischen Eigenschaften für Aktoranwendungen liegt. (K,Na)NbO3 (KNN), das 2004 von Saito et al. eingeführt wurde, gilt als vielversprechendes Materialsystem. Trotz optimierter piezoelektrischer und ferroelektrischer Eigenschaften wird KNN (mit wenigen Ausnahmen) nur selten in technischen Anwendungen eingesetzt, da das Material typischerweise hohe Leckströme aufweist und die Keramikdichte oft zu gering ist. Leckströme werden durch hohe Korngrenzendichten, innere Oberflächen in unzureichend gesinterten Materialien sowie intrinsische Defekte oder Verunreinigungen verursacht, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen. Darüber hinaus scheint die Dotierung mit Fremdelementen keinen ähnlich großen Einfluss auf KNN zu haben wie bei bleihaltigen Keramiken. Daher sind genaue Kenntnisse der Defektchemie eine Voraussetzung für die Verbesserung des Materials hinsichtlich reduzierter Leckströme, verbessertem Sinterverhalten, Degradation und Alterung. Das Projekt befasste sich deshalb mit der Defektchemie von bleifreien ferroelektrischen Keramiken auf Basis von KNN. Ziel der Forschung war es, den Einfluss der Dotierung auf die elektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften des Materials zu verstehen und die defektchemischen Mechanismen zu identifizieren, die zu Leckströmen, Degradation und Alterung führen. Durch eine Kombination aus experimentellen Untersuchungen und quantenmechanischer Modellierung konnte ein umfassendes Bild der Defektwechselwirkungen und ihrer Auswirkungen auf das Materialverhalten gewonnen werden. Es konnte festgestellt werden, dass intrinsisch gebildete Defekte (A-Site- Nichtstöchiometrie) das Verhalten von KNN dominieren und daher Dotierungen nur einen geringen Einfluss auf das Verhalten haben. Sinterverfahren wie Heißpressen und Kaltsintern können dazu beitragen, die Bildung intrinsischer Defekte zu unterdrücken. Es wurde auch gezeigt, dass die Variation des K/Na-Verhältnisses die dominanten Ladungsträger und damit die elektronische Struktur beeinflusst. Die Ergebnisse ermöglichen die Entwicklung neuer Strategien zur Steuerung der Eigenschaften von KNN.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Identifying the Interfacial Polarization in Non‐stoichiometric Lead‐Free Perovskites by Defect Engineering. Angewandte Chemie International Edition, 62(9).
Xu, Ze; Liu, Yi‐Xuan; Azadeh, Maryam; Thong, Hao‐Cheng; Jiang, Yuqi; Yao, Fang‐Zhou; Yue, Zhen‐Xing; Zhang, Zhong‐Tai; Tang, Zi‐Long; Li, Jing‐Feng; Wang, Heng; Frömling, Till & Wang, Ke
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Effect of iron acceptor doping and calcium donor doping in potassium sodium niobate‐based lead‐free piezoceramics. Journal of the American Ceramic Society, 107(7), 4949-4961.
Azadeh, Maryam; Zhao, Changhao; Pawadi, Apoorva; Gao, Shuang & Frömling, Till
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Water-mediated production of K0.5Na0.5NbO3 piezoelectric ceramics with cold-sintering assisted route: Enhanced dielectric properties. Journal of the European Ceramic Society, 45(1), 116815.
Azadeh, Maryam; Zhuo, Fangping; Zahler, Marc Pascal; Sayyadi-Shahraki, Ahmad; Ni, Fan; Rheinheimer, Wolfgang & Frömling, Till
