Defektchemie und elektromechanische Eigenschaften von piezoelektrischen Ca3TaGa3Si2O14-Einkristallen bei extremen Temperaturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Fritze; Dr. Andrey Sotnikov
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266465665

Piezoelektrische Sensoren weisen ein weitreichendes Potential für die Überwachung und Effizienzsteigerung von industriellen Prozessen in rauer Umgebung, z. B. zur Energiewandlung, auf. Die hohe wirtschaftliche Bedeutung wird durch funkabfragbare Systeme unterstützt. Zur genauen Bestimmung der Frequenz entsprechender Bauelemente sind neben der Stabilität bei extremen Temperaturen geringe elektromechanische Verluste erforderlich. Folglich stellen die Untersuchung, das Verständnis und die Minimierung von Verlusten in piezoelektrischen Kristallen eine zentrale Zielstellung dar.Die Auswahl von Ca3TaGa3Si2O14 (CTGS) im Neuantrag wird bestätigt, da - wie im Berichtszeitraum gezeigt - CTGS sehr geringe elektromechanische Verluste zeigt. Ausgehend von der Bestimmung grundlegender Eigenschaften wie thermische Ausdehnung, Wärmeleitung und Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz sowie der Geschwindigkeit charakteristischer akustischer Moden erfolgt die detaillierte Untersuchung atomarer Transportmechanismen bei Temperaturen bis 1000°C. Es wird ein Defektmodell erarbeitet, das die dominierenden atomaren Transportmechanismen widerspiegelt. Weiterhin wird der komplette Satz der elektromechanischen Materialkonstanten in dem extrem weiten Temperaturbereich von 4,2 K bis 900°C bestimmt und für Simulationen zugänglich gemacht. Die elektromechanischen Verluste werden gemeinsam mit dem National Institute of Standards and Technology im Detail ermittelt und mit einem Modell beschrieben, das die Mechanismen grundsätzlich zuordnet. Insgesamt zeigt CTGS sehr geringe Verluste und sehr gute Langzeitstabilität bei 1000°C, was die Relevanz für Hochtemperatur-Systeme unterstreicht.Anhand der Ergebnisse der ersten Förderperiode ergeben sich offene Fragen im Bereich des atomaren Transports bei niedrigen Sauerstoffpartialdrücken, dem Anteil von Protonen und/oder OH-Gruppen am Ladungstransport, der Zuordnung von Punktdefekten zu elektromechanischen Verlusten, dem Einfluss nichtlinearer piezoelektrischer Koeffizienten auf das Bauelementeverhalten sowie zur Polarisationsabhängigkeit der Dämpfung bei Oberflächen- und Volumenwellen. Die aus den Zielen abgeleiteten Arbeitspakete werden wieder entsprechend der komplementären Kompetenzen der Antragsteller bearbeitet, wobei an der TU Clausthal neue Aspekte des Zusammenhangs von Defektchemie, atomarem Transport und elektromechanischen Verlusten im Bereich von Raumtemperatur bis 1300°C im Vordergrund stehen. Zur Identifikation von Defekten soll die optische Absorption ergänzend an der Nationalen Polytechnischen Universität Lviv gemessen werden. Die Forschungsschwerpunkte am Leibniz-IFW Dresden umfassen nun die Untersuchung temperaturabhängiger BAW- und SAW-Dämpfung im vergrößerten Frequenzbereich, die Bestimmung des Viskositätstensors und spezifischer SAW-Parameter sowie das nichtlineare piezoelektrische Verhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen