Mehrskaliges Hochdruckverhalten der bleifreien ferroelektrischen Perowskitmischkristalle (1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3

• Antragstellerinnen: Dr. Tiziana Boffa Ballaran; Professorin Dr. Boriana Mihailova
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453796230

Aufgrund ihrer Fähigkeit verschiedene Arten äußerer Krafteinwirkung in elektrische Signale zu wandeln, nehmen komplexe Ferroelektrika des Perowskit-Strukturtyps unter den Funktionsmaterialien eine Schlüsselstellung ein. Derzeit ist PbZr1-xTixO3 (PZT) der wichtigste industriell verwendete ferroelektrische Mischkristall. PZT weist einen zusammensetzungsinduzierten Phasenübergang - eine morphotrope Phasengrenze (MPG) - auf, an der die dielektrischen, piezoelektrischen, pyroelektrischen und optoelektrischen Eigenschaften verstärkt werden. Blei ist aber toxisch, weshalb umweltfreundliche Alternativen zu PZT benötigt werden. Diesbezüglich sind die Mischkristalle (1-x)Na0.5Bi0.5TiO3 -xBaTiO3 (NBT-xBT) besonders erfolgversprechend, weil sie ebenso wie PZT eine nahezu temperaturunabhängige MPG aufweist. Allerdings erscheint die mittlere Struktur von NBT-xBT auf der MPG auch in Gegenwart makroskopischer Polarisation pseudokubisch zu sein. Dies ist ein Indiz für starke nanoskalige strukturelle Inhomogenität sowie einsetzende Bildung ferroisch verzerrter atomarer Gruppen. Um die die Materialeneigenschaften der Alkali-Bi-basierten Systeme leitenden inhärenten strukturellen Merkmale zu klären, werden deshalb umfassende Analysen bei verschiedenen externen Anregungen (Temperatur, elastische Spannung/Druck, elektrisches Feld) benötigt, die die ferroische Ordnung fördern können. Es gibt eine Reihe von Studien zum Einfluss von Temperaturen und elektrischen Feldern, aber nur wenige Hochdruckstrukturanalysen von NBT-xBT, die zumeist auf die Endglieder beschränkt sind. Das aktuelle Projekt beabsichtigt, diese Wissenslücke zu füllen. Die Abhängigkeit der druckinduzierten Strukturumwandlungen in NBT-xBT-Einkristallen von der Zusammensetzung über die MPG (x = 0, 0.013, 0.048, 0.053, 0.074) wird auf unterschiedlichen Längenskalen mittels der Ramanspektroskopie, der diffusen Röntgenstreuung am Synchrotron und hochpräzisen Röntgenbeugungmessungen bis zu ca. 21 GPa unter Verwendung von Diamantstempelzellen untersucht. Der Vergleich der Druckentwicklung der Phononen und der diffusen Röntgenstreuung mit der Zustandsgleichung, wird es ermöglichen den atomistischen Ursprung der elastischen Instabilität und die die Eigenschaftsänderungen unterstützende Abflachung der lokalen Potenziale zu identifizieren. Die Volumenkompressibilität sowie die Phonon-Grüneisenparameter werden in Abhängigkeit von x bestimmt. Zudem wird der Einfluss anisotroper elastischer Spannung auf die lokale Struktur und die Dynamik der NBT-xBT-Einkristalle über die MPG hinweg mit Hilfe von Ramanstreuung unter nichthydrostatischen Bedingungen bis zu ca. 5.6 GPa untersucht werden. Die erwarteten Ergebnisse sollen vertiefende Einblicke in die Struktur von NBT-xBT liefern und den nanoskaligen Strukturunterschied zwischen den Pb-basierten und Pb-freien Systemen charakterisieren. Dies sollte dazu beitragen, NBT-basierte Materialien mit Eigenschaften vergleichbar zu denen der bleihaltigen Materialien zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen