Mechanismen verstärkter elektromechanischer Wechselwirkung in uniaxialen Ferroelektrika

• Antragsteller: Dr. Carsten Richter
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521034088

Piezoelektrizität und elektromechanische Wechselwirkung sind von enormer technologischer Bedeutung und Grundlage für eine Reihe unverzichtbarer Bauteile. Trotz einer starken Nachfrage wurden bisher nur wenige technologierelevante Materialien entwickelt und von der Industrie aufgegriffen. Beispiele sind einkristalliner Quartz und bleihaltige Keramiken wie PbZr1-xTixO3. Intensive Forschung widmete sich im vergangenen Jahrzehnt auf bleifreie Alternativen mit vergleichbaren piezoelektrischen Eigenschaften. Jedoch sind diese Untersuchungen größtenteils empirischer Natur und fokussiert auf Synthese und Charakterisierung von komplexen Mischkristallen mit hohem Durchsatz. Es ist bekannt, dass Piezoelektrizität in ferroischen (ferroelektrischen und ferroelastischen) Materialien bis zu drei Größenordnungen stärker ist. Jedoch erschwert in den meisten Fällen das gleichzeitige Vorliegen mehrerer Effekte das genaue Verständnis der strukturellen Ursachen dieser Verstärkung. Aus diesem Grund fehlt ein grundlegendes Verständnis der strukturellen Dynamik von ferroelektrischen Domänen im elektrischen Feld auf atomarer Skala bis heute. Daher streben wir hier eine Untersuchung der elektromechanischen Wechselwirkung in uniaxialen Ferroelektrika an, bei denen Ferroelastizität aus Symmetriegründen ausgeschlossen ist und das strukturelle Zusammenspiel von Piezo- und Ferroelektrizität in isolierter Form erforscht werden kann. Im Projekt sollen moderne Methoden der Beugung von Synchrotronstrahlung eingesetzt werden um strukturelle Informationen über uniaxiale, ferroelektrische Einkristalle zu erlangen, während deren Polarisation durch äußere elektrische Felder geschalten wird. Die Ergebnisse werden uns helfen zu beantworten a) ob atomare Verschiebungen allein die piezoelektrische Antwort in polaren Materialien bestimmen und b) ob die Anwesenheit von 180° Inversionsdomänen vorteilhaft für Piezoelektrizität sein kann. Um den Einfluss der Symmetrie genauer verstehen zu können, sollen Materialien mit schrittweise zunehmender Komplexität untersucht werden: ausgehend von zentrosymmetrischem SrTiO3 über seinen polaren Phasenübergang bis hin zu uniaxialen Ferroelektrika wie BaMgF4 (BMF) und Li(Nb,Ta)O3 (LNO, LTO). Die Zielstellung des Projekts beinhaltet einige experimentelle Herausforderungen, die eine Weiterentwicklung von operando-Methoden der Röntgenkristallographie verlangen. Diese finden sich z.B. in der zeitaufgelösten Strukturbestimmung beim Auftreten von Inversionsdomänen. Ein weiterer Schritt ist die Entwicklung einer Bildgebung ferroelektrischer Domänen mittels Röntgenbeugungs-Mikroskopie am ESRF Synchrotron (Grenoble, Frankreich). Ideale Möglichkeiten dafür bieten sich aufgrund der kürzlich ausgebauten Quelle und vorhandener Aufbauten. Aufbauend darauf sollen Untersuchungen der Mikrostruktur in der Nähe von Domänenwänden ermöglicht werden, welche als Ursache für erhöhte elektromechanische Wechselwirkung in uniaxialen Ferroelektrika gehandelt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Dr. Semen Gorfman