FLEXFRA: Modellierung der Flexoelektrizität (Wirkung von Verzerrungs- und Polarisationsgradienten) in piezo- und ferroelektrischen Materialien mit Schwerpunkt auf Bruchverhalten

• Antragsteller: Dr. Sergey Kozinov, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451375510

Das Ziel des Projekts besteht in grundlegenden theoretischen und numerischen Untersuchungen auf dem sich intensiv entwickelnden Gebiet des flexoelektrischen Materialverhaltens (elektromechanische Kopplung höherer Ordnung) mit besonderem Schwerpunkt auf deren Bruchverhalten. Flexoelektrizität erzeugt eine Polarisation aufgrund eines Verzerrungsgradienten im Material, und umgekehrt eine Verzerrungsreaktion auf den Polarisationsgradienten. Diese inhomogene Verzerrung / Polarisation bricht die Zentrosymmetrie, sodass im Gegensatz zur Piezoelektrizität flexoelektrische Effekte in Strukturen mit beliebiger Kristallsymmetrie auftreten können. Somit kann die Flexoelektrizität ein Ersatz für die Piezoelektrizität im Mikro- und Nanobereich in dielektrischen Materialien sein. Dies ist besonders bedeutsam für nano- und mikroelektronische Bauelemente, da der Verzerrungsgradient im Nanobereich sehr groß wird und umgekehrt proportional zur Längenskala der Struktur ist. Starke Gradienten elektromechanischer Felder treten unvermeidbar in der Nähe von scharfen Kanten, Elektroden und rissartigen Defekten auf, was spezielle bruchmechanische Analysen und Bewertungen erfordert. Weitere Herausforderungen ergeben sich bei piezoelektrischen Materialien, weil bei ihnen der zusätzliche flexoelektrische Beitrag zur elektromechanischen Kopplung kaum separat zu messen ist. Darüber hinaus tritt die Domänenumorientierung in Ferroelektrika in Regionen mit hohen elektromechanischen Feldkonzentrationen auf, sodass der flexoelektrische Effekt das Domänenschalten beeinflussen kann. Unter Berücksichtigung aller derzeit offenen und umstrittenen wissenschaftlichen Fragen wird ein konsistenter Ansatz vorgeschlagen, der eine systematische Ableitung analytischer Lösungen und numerischer Techniken verfolgt, sodass die Separation jedes Effekts mit anschließender Folgerung bezüglich ihrer Wechselwirkungen möglich wird: 1) analytische Ableitungen für die Nahfelder an Rissspitzen, einschließlich Anisotropie und piezoelektrischer Kopplung, 2) Phasenfeldmodellierung des Verhaltens ferroelektrischer Materialien, einschließlich Polarisations- und Verzerrungsgradienten, mit Anwendung auf Bruchprobleme, und 3) gemischte Finite-Elemente-Formulierungen für die Verzerrungsgradientenelastizität, die mit piezo- und ferroelektrischen (mikromechanisches Schaltmodell) Beiträgen erweitert wird. Anhand der erhaltenen Forschungsergebnisse wird ein besseres Verständnis dieser gekoppelten elektromechanischen Effekte in Funktionsmaterialien erwartet, was wichtig ist für Anwendungen in nano- und mikrotechnischen Bauelementen wie Sensoren, Aktoren, digitale Speicher, Energiewandler und flexible Elektronik. Dies gilt sowohl für das funktionale Design als auch für Fragen der Zuverlässigkeit und Lebensdauer dieser Bauelemente.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen