PT Unknown
AU Dittmer-Gobeljic, D
TI Polar microstructure and nanoscale electromechanical behavior of lead-free piezoelectric ceramics
PD 12
PY 2015
LA en
DE pizeoelectric; ceramics; PFM; AFM; polar; nano; lead-free; composites; domain structure
AB In der Fülle an Energiewandlern werden piezoelektrische Materialien besonders geschätzt, da sie die Eigenschaft besitzen, mechanische und elektrische Energie linear ineinander umzuwandeln. Die Piezoelektrizität dieser Materialien wird in zahlreichen Hochtechnologie-Anwendungen eingesetzt, unter anderem in Aktoren, Einspritzventilen, Ultraschallwandlern, piezoelektrischen Motoren oder Mikro- und Nanopositionierungssystemen. Um die nachteiligen Effekte des weitverbreiteten Hochleistungswerkstoffs Blei-Zirkonat-Titanat auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt zu minimieren, wurden weitreichende Forschungsbestrebungen initiiert, die zu einer Verbesserung bereits bestehender und der Entwicklung gänzlich neuer ungiftiger Piezoelektrika führen sollen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der herausragenden Eigenschaften von KNN- und BNT-basierten piezoelektrischen Materialien auf submikroskopischen Längenskalen. Die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen wurden mithilfe der Piezoantwort-Kraft-Mikroskopie für drei unterschiedliche Materialklassen untersucht: Erstens, ein Ferroelektrikum, stellvertreten durch 0.95(Na0.49K0.49Li0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3-0.05CaZrO3; zweitens, ein Relaxor-Ferroelektrikum, namentlich Bi1/2Na1/2TiO3-0.19Bi1/2K1/2TiO3-yBiZn1/2Ti1/2O3; drittens, ein Kompositmaterial, das sowohl einen nichtergodischen Relaxorphasenanteil Bi1/2Na1/2TiO3-0.07BaTiO3 als auch einen ergodischen Relaxorphasenanteil, Bi1/2Na1/2TiO3-0.06BaTiO3-0.02K0.5Na0.5NbO3, enthält. Dieser ganzheitliche Ansatz beinhaltet auch den Einsatz verschiedener Charakterisierungsmethoden zur Untersuchung des makroskopischen Verhaltens, um einen Vergleich mit den mittels PFM ermittelten submikroskpischen Eigenschaften zu ermöglichen. Die strukturellen, mikrostrukturellen und elektrischen Eigenschaften als auch Ihre gegenseitige Wechselbeziehungen werden als Funktion von Zusammensetzung, Temperatur und elektrischem Feld untersucht. Die durchgeführte Forschungsarbeit basiert damit auf den verknüpften Beobachtungen des materialspezifischen elektromechanischen Verhaltens auf verschiedenen Größenordnungen, vom Submikroskopischem bis hin zum Makroskopischem. Ersteres wird im Rahmen dieser Arbeit durch die Piezoantwort-Kraft-Mikroskopie erreicht, einer hochmodernen Variante der Rasterkraftmikroskopie. Der direkte Vergleich der Eigenschaften auf verschiedenen Längenskalen erlaubt einen tiefen Einblick in die grundlegenden Mechanismen für die teils überragenden Eigenschaften der untersuchten Materialsysteme. Neuartige, fortschrittliche Datenanalysemethoden werden eingeführt und vorgestellt, um eine quantitative Beschreibung der komplexen Domänenstruktur zu erlauben, die in diesen Materialien beobachtet werden. Darüber hinaus wird dadurch eine Differenzierung des lokalen Schaltverhaltens ermöglicht.
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