Interaction of ferroelectric ferroelastic domain walls with mesoscopic and macroscopic defects in ferroelectrics
Final Report Abstract
Die Wechselwirkung von ferroelektrischen Domänenwänden mit Defekten ist von ihrer Bedeutung für das makroskopische Werkstoffverhalten ähnlich fundamental wie diejenige magnetischer Domänenwände in Magnetwerkstoffen beziehungsweise diejenige von Versetzungen in Metallen mit den jeweils auftretenden Defekten. Aufgrund der elektromechanischen Kopplung in Ferroelektrika wirken elastische gleichermaßen wie elektrische Felder. Zusätzlich wirken mehr oder minder frei bewegliche elektrische Punktdefekte innerhalb des Kristalls und an dessen Grenzflächen auf die elektrische Polarisation. Ziel dieses Projektes war es, die Wechselwirkung von Domänenwänden mit mesoskopischen elektrischgeometrischen Modelldefekten in einfachen einachsigen Ferroelektrika experimentell zu untersuchen. Die wesentlichen Untersuchungsmethoden waren optische Mikroskopie und akustische Emissionen, einer seismischen Methode an kleinen Proben. Es konnte gezeigt werden, dass, wie erwartet, eine sehr große Wechselwirkung entsteht. Ihre Stärke konnte in theoretischen Arbeiten einer Partnergruppe rechnerisch belegt werden. Die akustischen Emissionen allerdings skalierten nicht nur mit der Größe der eingebrachten geometrischen Defekte. Letztere erzeugen sowohl elastische Felder als auch Störungen in der Elektrode, die elektrische Feldinhomogenitäten darstellen. Zum Verständnis der akustischen Emissionen mussten auch sich zusätzlich anlagernde Punktdefekte mit hinzugezogen werden, was an dieser Stelle im Projekt überraschend war. Dies ist Mechanismen vergleichbar, die z.B. die Stabilisierung gewisser Positionen von Versetzungen in Metallen über Fremdatomdrift erklären (Cottrel-Wolken). Im Umfeld der geometrischen Mesodefekte lagern sich im Falle der Ferroelektrika zusätzlich gering bewegliche Punktdefekte an, die diese Domänenposition stabilisieren (Alterung). Ein vergleichbarer Mechanismus konnte auch sehr explizit an einem Relaxorkristall nachgewiesen werden [a]. Die Messung von ferroelektrischen Barkhausen- Pulsen, dem elektrischen Pendant zu den akustischen Emissionen bzw. vergleichbaren elektrischen Pulsen in Magneten, stellte sich als sehr schwierig heraus. Die Apparaturen ließen sich auch durch nachhaltige Abschirmungsversuche nicht störungsfrei betreiben. Koinzidenzen für die stärksten Ereignisse konnten nachgewiesen werden, aber die ursprünglich erhoffte Korrelation von Richtungsabhängigkeiten, die aus der Pulsform der akustischen Emissionen hergeleitet werden sollten, mit der Stärke der elektrischen Pulse stellte sich als zu schwierig heraus. Auch wenn die Wechselwirkung von Domänenwänden mit Defekten ein so komplexes Feld ist, dass ein einzelnes Projekt sicher nicht reicht, sie endgültig zu erklären, konnte doch die Gültigkeit von elektro-elasto-mechanischen Rechnungen für einachsige Kristalle nachgewiesen werden. Das Projekt hat somit geholfen, das Vertrauen in theoretische Rechnungen zu stärken. Der Einfluss von Defekten in den technologisch vorherrschenden mehrachsigen Kristalltypen ist experimentell so schwer zu erfassen, dass im allgemeinen Fall auf Rechnungen zurückgegriffen werden muss. Nach den hier erzielten Ergebnissen darf man dieser Art Rechnung trauen, vorausgesetzt natürlich, sie werden gewissenhaft durchgeführt. Die lokale Polarisationskompensation durch Punktdefekte bleibt jedoch weiterhin ein zu klärendes Feld, da die inzwischen experimentell eindeutig bewiesene Reorientierung von Defekt- Dipolen als Alterungsmechanismus weiterhin nicht hinreichend ist, die starken erzeugten Klemmkräfte auf Domänenwände durch diese Dipole alleinig zu erklären.
