Thermische Stabilität und Einsatzgrenzen von LiNb_(1-x)Ta_xO_3--Mischkristallen

• Antragsteller: Dr. Yuriy Suhak
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426703838

Das vorliegende Teilprojekt zielt darauf ab, den Einfluss des Lithiumgehalts auf die Hochtemperatureigenschaften von Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Mischkristallen (LNT) zu ermitteln und ihre Einsatzgrenzen zu bestimmen. In der ersten Phase wurde festgestellt, dass die elektrische Leitfähigkeit von nahezu stöchiometrischem LNT bis etwa 600-650 °C hauptsächlich durch Li-Ionenleitung bestimmt wird, ähnlich wie bei Li-defizitärem LNT. Oberhalb dieser Temperatur ist der elektronische Beitrag erkennbar. Bei 900 °C dominiert in stöchiometrischem LiNbO3 der elektronische Leitmechanismus, während in Li-defizitärem LiNbO3 die ionische Leitfähigkeit vorherrscht. Der elektronische Beitrag nimmt mit zunehmendem Ta-Gehalt ab. Diese Erkenntnisse sind praktisch relevant, da sie nahelegen, dass der Leitungstyp in LNT durch die Einstellung der Li-Stöchiometrie und des Nb/Ta-Verhältnisses beeinflusst werden kann. Weiterhin wurde die Langzeitstabilität von LNT durch die Messung der elektrischen Leitfähigkeit und der Resonanzfrequenz während langer Zeiträume ununterbrochener thermischer Behandlung in Luft untersucht. Es wird zum Beispiel gezeigt, dass die Resonanzfrequenz der LiNb0.5Ta0.5O3-Probe während der 350 Stunden bei 700 °C lediglich um ± 100 ppm schwankt. In der zweiten Phase des Projekts gilt die besondere Aufmerksamkeit den Auswirkungen von Dotierungen auf die Hochtemperaturstabilität der LNT-Kristalle. In diesem Zusammenhang ist zu erwarten, dass Dotierstoffe wie Mg die Leitfähigkeit von LNT verringern und folglich die Stabilität des Materials erhöhen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Stabilität von LNT-Schichten und -Schichtsystemen gegenüber extremen Temperaturen und Bedingungen. Zusätzlich muss ermittelt werden, wie die Dotierungen die Schichten in Bezug auf Hochtemperaturstabilität beeinflussen. Darüber hinaus werden weiterführende Untersuchungen zum Einfluss der Li-Stöchiometrie auf die Hochtemperaturstabilität von elektrischen, akustischen, optischen und strukturellen Eigenschaften von einkristallinem LNT in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit und Sauerstoffpartialdruck fortgesetzt. Ein besonderer Fokus liegt auf den Domänen und Domänenwänden in LNT. Hierbei erfolgen Untersuchungen der Koerzitivfeldstärken in Bezug auf die Li-Stöchiometrie sowie der Langzeitstabilität bei erhöhten Temperaturen und niedrigem Sauerstoffpartialdruck. Das Projekt schließt eine enge Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten ein, die die Herstellung von Proben (TP1, TP9), den Transport (TP2, TP4, TP6, TP7), die Untersuchung von Domänen (TP5, TP6, TP7) und die Modellierung (TP8) umfassen. Die Erkenntnisse aus diesem Teilprojekt tragen dazu bei, das Verständnis der thermischen Stabilität und Einsatzgrenzen von LNT-Mischkristallen zu vertiefen und könnten wichtige Impulse für die Entwicklung zukünftiger Anwendungen in der Hochtemperatursensorik und verwandten Bereichen liefern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5044: Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden