Mesoskopische Transformationsprozesse in Bi-basierten ferroelektrischen Mischkristallen des Perowskit-Typs

• Antragstellerin: Professorin Dr. Boriana Mihailova
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269878195

Unser modernes Leben wäre ohne Ferroelektrika nicht vorstellbar:Materialien deren spontane Polarisation unter Einfluss angelegter elektrischer Felder umschaltbar ist, die große dielektrische Permittivität sowie starke piezoelektrische, pyroelektrische und optoelektrische Effekte aufweisen. Die Mehrzahl der Ferroelektrikabilden dabei Mischkristalle des Perowskittyps (ABO3) unter Ausbildung einer morphotropen Phasengrenze (MPB), d.h. mit einerkritischen Zusammensetzung x bei der sich die ferroelektrische Fernordnung ändert, was mit einer Verstärkung der Eigenschafteneinhergeht. Es ist bekannt, dass in der Nähe der MPB umfangreiche strukturelle Inhomogenitäten im nanoskaligen Bereich auftreten. Trotz enormer Anstrengungen ist es in den zurückliegenden Dekaden nicht gelungen ein allgemein gültiges Modell der Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften zu etablieren, das die treibenden Mechanismen chemisch kontrollierter Instabilitäten der Kristallstruktur und verstärkter makroskopischer Eigenschaften in der Nähe der MPB erklären könnte. Die Suche nach umweltfreundlicheren, Pb-reduzierten oder Pb-freien Alternativen zum bewährten PbZrxTi1-xO3, hat zu einem verstärkten Interesse an Perowskitferroelektrika auf Bi-Basis geführt. Thema des Projektes MI 1127/8-1 war die umfassende Untersuchung der Zusammensetzungsabhängigkeit von lokaler Struktur und Gitterdynamik in neuartigen Bi-basierten Mischkristallen mit Hilfe von Raman-Spektroskopie und Neutronenstreuung. Die dabei bisher erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Vergrößerung des piezoelektrischen Effektes an der MPB zunehmender Synchronisation der Kationenschwingungen auf den A- und B-Lagen zurück zuführen ist. Die verbesserten piezoelektrischen Eigenschaften in bestimmten ABO3 -Mischkristallen sind auf die Abflachung der lokalen Potentiale aller ferroelektrisch aktiven Kationen zurückzuführen. Das hauptsächliche Ziel dieser Projektfortsetzung ist es, die vergleichende Studie der mesoskaligen Umwandlungsprozesse in (1-x)PbTiO3-xBiMeO3 Mischkristallen mit Me = Mg0.5Ti0.5, Ni0.5Ti0.5, Ni0.5Zr0.5 abzuschließen. In jeder Mischkristallreihe werden dazu vier ausgewählte Zusammensetzungen mit Hilfe der Raman-Spektroskopie, Paarverteilungsfunktions-Analyse sowie Reverse Monte-Carlo Simulationen untersucht. Messungen werden über einen weiten Temperaturbereich, auch weit oberhalb der Curie-Temperatur durchgeführt. Wir erwarten, dass die Ergebnisse die atomistischen Prozesse aufklären, die zur Bildung der hochgradig ungeordneten Strukturzustände an der MPB führen, wie sie sich in unseren Untersuchungen bei Raumtemperatur gezeigt haben. Die vergleichende Analyse der Renormalisierungsphänomene wird das Verständnis der mikroskopischen Ursachen für die Abhängigkeit der Curie-Temperatur und der piezoelektrischen Koeffizienten von der Art des dotierenden Atoms erheblich verbessern. Ein Verständnis das die Designstrategien für neuartige Funktionsmaterialien kritisch beeinflussen würde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen