Lead-free piezoelectric single crystals with high strain: orientation dependance, polarization rotation and morphotropic phase boundaries
Final Report Abstract
Der Bereich der piezoelektrischen Aktorwerkstoffe wird dominiert von bleihaltigen Systemen wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Blei-Magnesium-Niobat – Bleititanat (PMN-PT). Aufgrund der Toxizität von Blei ist die Suche nach einem bleifreien Ersatzwerkstoff in den letzten 10 Jahren eines der dominierenden Themen auf diesem Feld. Hauptaugenmerk liegt dabei auf Oxiden mit Perowskit-Struktur wie z.B. Bismuth-Natrium-Titanat (BNT). Feste Lösungen bestehend aus BNT und Bariumtitanat (BT) wurden bereits kommerzialisiert und gelten als vielversprechende Kandidaten, vor allem da in diesem Mischsystem eine morphotrope Phasengrenze existiert, die als Ursprung für erhöhte piezoelektrische Eigenschaften angesehen wird. In bleihaltigen Materialien besteht Konsens, dass die Erhöhung durch eine Rotation der Polarisationsrichtung durch eine monokline Zwischenphase zustande kommt. In bleifreien Materialien wurde diese Theorie noch nicht detailliert überprüft. Im Rahmen dieses Projektes wurde daher die Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften von der kristallographischen Richtung in einkristallinen BNT-xBT Proben untersucht. Um die Frage nach Polarisationsrotation und damit einhergehend großer nutzbarer Dehnung zu beantworten, wurden in einem ersten Schritt von drei verschiedenen Zusammensetzungen drei unterschiedliche Schnittrichtungen in Bezug auf piezo- und ferroelektrische Eigenschaften untersucht. Alle Proben zeigten dabei Relaxorverhalten, es konnten jedoch keine Anzeichen von Polarisationsrotation gefunden werden. Neben der Polarisationsrotation wurden auch das Depolarisationsverhalten und die thermische Stabilität der durch Polung erzeugten ferroelektrischen Zustände untersucht. Die Literatur liefert Hinweise, dass Depolarisation und Zerfall der langreichweitigen Wechselwirkung nicht bei den gleichen Temperaturen auftreten und zudem richtungsabhängig sein können. In den durchgeführten Messungen wurde neben richtungsabhängigen Depolarisationsprozessen auch Anzeichen für mehrstufige Depolarisation gefunden, ähnlich wie in Sapper (2012). Dieses Verhalten lässt sich unter anderem auf unterschiedliche Stabilität der erzeugten Domänenkonfigurationen zurückführen. Weiterhin wurde das Umschaltverhalten bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Der Polarisationsumschaltprozess ist für verschiedene Zusammensetzungen von unterschiedlicher Natur. Während in rhomboedrischen Systemen die Polarisationsumkehr über PNR Zwischenzustände stattfindet, werden in der Nähe der MPB unterschiedliche rhomboedrische und tetragonale Symmetrien erzeugt. Ungewöhnlich hohe Dehnungen konnten in Zusammensetzungen nahe der MPB entlang der <001>- Richtung gemessen werden, wenn sich die Temperatur der Depolarisationstemperatur näherte. In BNT-6,3BT wurde z.B. eine Dehnung von 0,66% bei einem Feld von nur 3,5 kV/mm gemessen. Dies entspricht einem d33* (Großsignalpiezokoeffizient oder normierte Dehnung) von = 1886 pm/V. Diese hohe Dehnung lässt sich jedoch nicht durch Polarisationsrotation erklären, sondern mit dem Übergang der polaren ferroelektrischen Phase in die unpolare Relaxorphase.
Publications
- Direction dependence of ferroelectric propeties in lead-free single crystals’, ISAF, Pennstate, USA, 12.- 16.05.2014
D. Schneider, Wook Jo, D. Rytz, T. Granzow, J. Rödel
- ‘Anisotropy of ferroelectric behavior of (1-x) Bi1/2Na1/2TiO3-xBaTiO3 single crystals across the morphotropic phase boundary’, JAP 116, 2014, 044111
D. Schneider, W. Jo, J. Rödel, D. Rytz, T. Granzow
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4891529) - ‘Direction dependence of ferroelectric propeties in leadfree single crystals’, International Workshop on Lead- Free Piezoelectrics, Beijing, China 20.-21. 02. 2014
D. Schneider, Wook Jo, D. Rytz, T. Granzow, J.Rödel
- ‘Ferroelectric & Relaxor propeties in (1-x) Bi1/2Na1/2TiO3-xBaTiO3 Single Crystals with Different Symmetries’, ISAF, Singapur, 24.-27.05.2015
T. Granzow, D. Schneider, J. Rödel, D. Rytz
- ‘Orientation-dependence of thermal depolarization and phase development in Bi1/2Na1/2TiO3-BaTiO3 single crystals’ J. Amer. Ceram. Soc., Vol 98 Issue 12, December 2015, Pages 3966-3974
D. Schneider, J. Rödel, D. Rytz, T. Granzow
(See online at https://doi.org/10.1111/jace.13843)
