Optimierung der elektrokalorischen Effizienz in bleifreien Keramiken

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Vladimir V. Shvartsman
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448662623

Kühlung mit Festkörpern als elektrokalorischem Kühlmittel ist potentiell eine Lösung für die Kühlung von Halbleitersystemen und bei guter Entwicklung der Technik auch auf industriellem Maßstab. Dieser Zugang basiert ursprünglich auf der Beobachtung von sehr großen elektrokalorischen Effekten in antiferroelektrischen PbZr0.95Ti0.05O3 Dünnfilmen. Der elektrokalorische Effekt beschreibt die Änderung der Entropie eines (Festkörper-)Systems durch Anlegen eines elektrischen Feldes. Der Effekt ist an Phasenübergängen am stärksten, kann aber auch durch die chemische Unordnung in Relaxorferroelektrika große Werte annehmen. Ein weiterer Hebel zur Verstärkung des Effekts ist das keramische Gefüge, mit dem sich auch die Domänenstruktur des Materials ändern lässt. In diesem Projekt sollen alle drei Effekte kombiniert werden, d.h. Gefügeänderungen in Relaxormaterialien am Phasenübergang sollen einen möglichst großen Gesamteffekt hervorrufen. Bleifreie Ferroelektrika sind in den letzten Jahren entwickelt worden, um die potenziell giftigen bleihaltigen Zusammensetzungen zu ersetzen. Jedoch widersprechen sich die erzielten Ergebnisse zum Teil erheblich. Insbesondere für den Temperaturbereich um Raumtemperatur gibt es wenige verlässliche Daten zu großen Effekten. Dies liegt unter anderem daran, dass die meisten Gruppen die elektrokalorischen Effekte nur indirekt messen und die meisten Systeme keine großen Phasenumwandlungen in der Nähe von Raumtemperatur aufweisen. An dieser Stelle schlagen wir ein Projekt vor, das den Effekt einer morphotropen Phasengrenze mit Relaxoreigenschaften kombiniert. Solche Systeme sind für ihre sehr große Elektrostriktion bekannt, die darauf beruht, ein ungeordnetes Material durch hohe elektrische Felder in einen geordneten und damit gedehnten Zustand zu überführen. Dieselbe Äderung der Unordnung soll die großen elektrokalorischen Effekte generieren. Am Anfang des Projektes sollen die auf Na0.5Bi0.5TiO3 und K0.5Na0.5NbO3 basierenden Phasensysteme gescreent werden, um Zusammensetzungen mit maximalen Effekten zu identifizieren. Im Verlauf des Projektes sollen dann vermehrt Aspekte der Anwendung betrachtet werden, wie die Korngrößen, die Defekte im Material und sein Ermüdungsverhalten. Um dieses Projekt zum Erfolg zu führen, vereinen wir die Expertise auf russischer Seite zur Herstellung hochwertiger bleifreien Keramiken und die Erfahrung mit indirekten und insbesondere direkten Messmethoden der kalorischen Effekte in der Gruppe in Essen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Doru Constantin Lupascu
• Kooperationspartner: Dr. Ekaterina Dmitrievna Politova