Festkörper-NMR-Untersuchungen der lokalen Struktur von bleifreien Relaxor-Ferroelektrika

• Antragsteller: Professor Dr. Gerd Buntkowsky
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397608312

Natrium-Wismut-Titanat und seine festen Lösungen mit Barium (100-x)(Na1/2,Bi1/2)TiO3 (x)BaTiO3 (NBT xBT) stellen eine vielversprechende und umweltfreundliche Alternative zu piezoelektrischen Keramiken auf Bleibasis dar. Diese intrinsisch inhomogenen Materialien weisen strukturelle Verzerrungen mit geringer Größe und kurzer Kohärenzlänge auf, was eine Herausforderung für ihre Charakterisierung mit herkömmlichen Methoden darstellt. Infolgedessen sind wichtige Aspekte der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in diesen Materialien noch unklar, wie zum Beispiel die Rolle chemischer Modifikationen, die Art der Phasenübergänge (entweder temperatur- oder feldinduziert) und das Auftreten eines ferroelektrischen Relaxor-Zustands. In diesem Projekt setzen wir die Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie (ssNMR) ein, um uns den Herausforderungen dieser Materialklasse zu stellen und mehr über ihre Struktur auf lokaler Ebene zu erfahren. Dies wird durch die Analyse statischer, eindimensionaler MAS- und insbesondere zweidimensionaler 3QMAS-NMR-Spektren erreicht, die eine Beschreibung der lokalen Struktur in Bezug auf die vorhandenen Kernwechselwirkungen für 23Na und andere verfügbare NMR-aktive Kerne ermöglichen. Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit relevanter NMR-Parameter soll Aufschluss über die Veränderungen der lokalen Struktur der NBT-xBT-Zusammensetzungen geben, sowohl ungepolt als auch gepolt, im gesamten Temperaturbereich von unterhalb der Depolarisationstemperatur (Td) über die Übergangstemperatur vom Ferroelektrikum zum Relaxor (TF R) und die Höchsttemperatur der dielektrischen Permittivität (Tm) und darüber. Dynamische Aspekte der lokalen Struktur werden sowohl im ferroelektrischen als auch im Relaxor-Zustand durch die Untersuchung von NMR-Relaxationszeiten untersucht, mit dem Ziel, die Art der lokalen strukturellen Fluktuationen in diesen Materialien zu identifizieren. Der Schwerpunkt der ersten Antragsperiode war die Charakterisierung der Abhängigkeit der lokalen Struktur und der elektrischen Polarisation von of (Na1/2,Bi1/2)TiO3 -Festkörperlösungen mit Bariumtitanat (NBT xBT, 0≤x≤15) mit Festkörper-NMR. In der zweiten Antragsperiode wollen wir zunächst (a) unsere Studien über die Natur der scheinbar kubischen Phase im NBT xBT-System abschließen. Dazu werden wir (a) das Problem der fehlenden Seitenbandenintensität in den MAS-NMR-Spektren lösen und (b) die feldabhängigen 23Na-T1-Relaxationskurven vervollständigen, um genügend Daten zur Modellierung der T1- und T2-Dispersion zu haben und Informationen über die dynamische Natur der scheinbar kubischen Phase zu erhalten. Parallel dazu wollen wir (b) diese Techniken für eine detaillierte Analyse der festen Lösungen von BaTiO3-CaTiO3 (Barium-Calcium-Titanat, BCT), ihres Poling/Depoling-Verhaltens, des Ausscheidungshärtungsprozesses und seiner Auswirkungen auf den Poling/Depoling-Prozess im Inneren dieser Materialien einsetzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen