Verständnis von druck-induzierter Depolarisation und Energieumwandlung in Ferroelektrika und Antiferroelektrika bei schneller Kompression

• Antragsteller: Dr. Lkhamsuren Bayarjargal
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468566236

Ferroelektrische Materialien können in sehr kurzer Zeit sehr große Mengen an gespeicherter elektrischer Energie in Form eines stark gepulsten Stroms aufgrund von druckinduzierten Phasenumwandlungen während der Schockkompression freisetzen. Letztere wird typischerweise durch eine Gaskanone, oder mit einem Sprengstoff erzeugt. Eine detaillierte Charakterisierung der durch die Schockwellen ausgelösten Energiefreisetzungsprozesse ist in solchen Experimenten jedoch schwierig, da sie unter zahlreichen Problemen, wie z. B. elektrischen Durchschlägen, Leckströmen, dem Bedarf an großen Proben, die nur einmal verwendet werden können, sowie der Wirkung der Erwärmung leiden.Hier möchten wir dynamische Diamantstempelzellen (dDAC) und laserinduzierte Schockwellen (LSW) für schnelle Kompressionsstudien verwenden, um Energieumwandlungsprozesse in ferroelektrischen und antiferroelektrischen Materialien mit hohen Leistungsdichten während der druckinduzierten Phasenumwandlungen zu verstehen. In dDAC können sehr hohe Kompressionsraten erreicht werden und es können µm-kleine Proben wiederholt verwendet werden. Aufgrund ihrer großen Wärmeleitfähigkeit verringern Diamanten die Erwärmung der Proben während der Kompression und ermöglichen somit den Druck- vom Temperatureinfluss zu trennen. LSW können Drücke bis zu mehreren GPa für größere Proben liefern und somit die dDAC-Studien ergänzen.Die Energiefreisetzung und das druckabhängige Verhalten der elektrischen Polarisation während druckinduzierter Phasenumwandlungen in ferroelektrischen Materialien hängen von mehreren Aspekten ab, darunter die Art der Phasenumwandlung (ferroelektrisch, oder antiferroelektrisch), der Charakter der Phasenumwandlung (displaziv-, oder Ordnung/Unordnung) und der Phasenumwandlungspfad (tetragonal-kubisch, oder rhomboedrisch-kubisch). Wir möchten daher BaTiO3- und BiFeO3-basierte Ferroelektrika, sowie Bi0.5Na0.5TiO3- basierte Antiferroelektrika untersuchen, um all die voran aufgeführten Aspekte zu verstehen.Wir werden Frequenzverdoppelung (SHG), elektrische Messungen, Raman-Spektroskopie, sowie Röntgenbeugung für die Charakterisierung verwenden. Die SHG-Messungen liefern Informationen über den Charakter der Phasenumwandlungen und das druckinduzierte Verhalten der Polarisation und ermöglichen darüber hinaus Verhalten von Nanodomänen, oder polaren Nanoregionen in Relaxor-Ferroelektrika. Methodische Entwicklungen werden neuartige SHG-Messungen der Polarisation während der schnellen Kompression in dDAC- und LSW-Experimenten ermöglichen. Die Kombination von in-situ-SHG- und Ladungsdichtemessungen hilft uns, die Wechselbeziehung zwischen elektrischer Polarisation, elektrischer Leitfähigkeit, Durchschlagsfestigkeit und Leckstrom während der schnellen Kompression zu verstehen. Raman-Spektroskopie und Röntgenbeugung liefern Informationen über die lokale Struktur, die Fernordnung und die Textur und ermöglichen es uns, die Korrelation zwischen Struktur- und Polarisationsänderungen zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen