Akustische Verluste und elektromechanische Eigenschaften von LiNb_(1-x)Ta_xO_3

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

Wesentliche Hochtemperatur-Eigenschaften von LNT-Mischkristallen wie die Volumen- und Domänenwandleitfähigkeit sowie die akustischen Verluste wurden als Funktion der Temperatur und des Sauerstoffpartialdrucks (pO2) ermittelt und mit den atomaren Transportvorgängen korreliert. Die akustischen Verluste sind oberhalb von 400°C durch die Relaxation piezoelektrisch gekoppelter Ladungsträger und damit die elektrische Leitfähigkeit geprägt, sodass deren Verringerung eine grundlegende Forderung für piezoelektrische Resonatoren hoher Güte darstellt. Unterhalb der genannten Temperatur sinken die Verluste und erreichen Werte, die denen von Phononenstreuungen entsprechen. Die elektronische Leitfähigkeit wird tendenziell durch hohe Ta-Anteile unterdrückt, was oberhalb von 600°C sichtbar wird und eine Verringerung der Verluste erlaubt. Hohe mechanische Resonanzfrequenzen führen ebenfalls zu einer Verringerung der Verluste, sodass kleine Strukturen bis hin zu Schichten anzustreben sind. Die pO2-Abhängigkeit der Leitfähigkeit lässt sich durch einen Defektmechanismus erklären, der nicht mit dem ungewollten Abdampfen von Li2O verbunden ist. Auch grundlegende Erkenntnisse, wie die unerwartet deutliche Änderung der Aktivierungsenergie der elektrischen Leitfähigkeit beim Übergang zwischen der ferro- und paraelektrischen Phase, sind nun verfügbar. Weiterhin werden Domänenwandströme bei Temperaturen bis 400°C ermittelt und interpretiert. In der zweiten Projektphase soll ein weiterführendes Verständnis der elektroakustischen Eigenschaften insbesondere in Bezug auf dünne Schichten und die Einbeziehung von Dotierungen erlangt werden. Mechanische Spannungen stellen dabei eine weitere Möglichkeit zum Maßschneidern der Defektstrukturen in LNT. Bei Schichten lassen sich mechanische Spannungen deutlich stärker als bei Volumenkristallen variieren, so dass die Frage offen ist, in welchem Umfang die Leitfähigkeit, die Phasenumwandlung, das Polungsverhalten und die Stabilität der Grenzflächen beeinflusst werden und wie dies mit den Volumeneigenschaften korreliert ist. Weiterhin soll der Ladungstransport in Domänenwänden von Volumenkristallen und Schichten mit dem Ziel ermittelt werden, diesen maßzuschneidern. Von weitreichenden Perspektiven für leitfähige niedrigdimensionale Strukturen in Bauelementen ist auszugehen. Die Arbeiten werden aus experimentaler Sicht in enger Kooperation mit TP2, 3 und 4 in Bezug auf den Ladungstransport sowie mit TP5 und 6 im Bereich der Domänenwände ausgeführt. Beispielsweise werden Leitfähigkeitsdaten bereitgestellt und dort ermittelte Transportkoeffizienten für die Modellierung genutzt. Weiterhin tragen der Austausch mit TP1 und 9 zur Herstellung von Kristallen bzw. Schichten sowie die Modellierung in TP8 wesentlich zum Erkenntnisgewinn bei. Spezielle Untersuchungsmethoden wie die resonante Ultraschall-Spektroskopie, die Laser-Doppler Vibrometrie und die Mikro-Impedanzspektroskopie werden bis zu einer Temperatur von mindestens 1000°C eingesetzt.

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