TU Darmstadt / ULB / TUprints

Dislocation-Based Functionality in Ferroelectric Perovskites

Höfling, Marion Anita (2021):
Dislocation-Based Functionality in Ferroelectric Perovskites. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00018653,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Marion_Hoefling_Dissertation_final.pdf
Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Share-alike.

Download (12MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Dislocation-Based Functionality in Ferroelectric Perovskites
Language: English
Abstract:

Dislocations have been severely underestimated as a tool for tailoring the functional properties of ferroelectric materials, which are essential electroceramic components in many applications. Recently, numerical simulations have predicted strong ferroelectric domain wall–dislocation interactions. However, little is known about the plastic deformability of bulk ferroelectrics to introduce dislocations and the ability of dislocations to tune electromechanical properties. In this work, these issues are addressed for the ferroelectric single crystal materials KNbO3 and BaTiO3. Furthermore, the obtained knowledge is applied to fine-grained polycrystalline BaTiO3. The anisotropic deformation behavior of 〈010〉_pc and 〈101〉_pc-oriented KNbO3 single crystals is studied by uniaxial compression at room temperature. The activation of the {110}〈110〉 slip system and the observed low critical resolved shear stress of 20–30 MPa cause a large plastic deformation of 4.6% and allow the determination of the resulting slip band structures. A reduction in domain size from the initial 1.8 µm to 0.5 µm and local switching experiments confirm that dislocations act as nucleation and pinning sites for domain walls. The dislocation-induced change in functional behavior was examined in detail using 〈001〉-oriented BaTiO3 single crystals. Creep experiments at high temperature cause a mechanical imprint, leading to rhombic domain structures. Moreover, a huge increase in dielectric and electromechanical response (εr ≈ 5800 and d33* ≈ 1890 pm/V) was observed in the subcoercive field region. Based on these results, we propose an extension of the concept of local domain wall pinning at dislocations towards a macroscopic restoring force acting against the domain wall motion. The mechanical imprint and the resulting pinning force (Peach Koehler force) stabilize an a-c-domain configuration. The application of an electric field causes strain incompatibilities between pinned and switched domains, which result in the macroscopic restoring force preventing the switching of further domains or causing already switched domains to switch back. Since plastic deformation is anisotropic, a brief outlook to the deformability of 〈110〉-oriented BaTiO3 is given, indicating that BaTiO3 and SrTiO3 behave similarly at high temperatures and high stresses. This mechanism provides a deeper understanding of the domain wall-dislocation interaction on a macroscopic level and paves the way for anisotropy studies in single crystals, as well as the transfer to polycrystalline ceramics. A creep deformation map for polycrystalline BaTiO3 is then developed. The influence of dislocation- and diffusion-based creep mechanisms on the microstructural and electromechanical properties is discussed. An increase in the phase transition temperature of ΔT = 5 °C, a decrease in the maximum polarization by 10% and an electromechanical strain by 30% were observed. Moreover, the different creep mechanisms are discussed. In this work, the foundations are laid to better understand the plastic deformability of KNbO3 and BaTiO3 single crystals and the resulting consequences of the mechanical imprint on the ferroelectric domain structure and the dielectric and ferroelectric behavior. Thus, the dislocation-based functionality approach was established on the macroscopic scale, which could facilitate the further implementation of dislocations as functional property-tuning defects in ferroelectric bulk materials.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Versetzungen wurden bisher als Werkzeug zur Modifikation der Funktionseigenschaften von Ferroelektrischen Materialien stark unterschätzt. Dabei sind diese Materialien mit ihren elektromechanischen Eigenschaften essentieller Bestandteil in vielen Anwendungen. Numerische Simulationen haben kürzlich eine starke Wechselwirkung zwischen Versetzungen und ferroelektrischen Domänenwänden prognostiziert. Aber nichts destotrotz ist das Wissen über die plastische Deformierbarkeit des ferroelektrischen Volumenmaterials limitiert und somit auch die Kenntnisse über das Einbringen von Versetzungen und deren Potential zur Beeinflussung von elektromechanischen Eigenschaften. In dieser Arbeit werden die genannten Aspekte anhand der ferroelektischen Einkristallmaterialien KNbO3 und BaTiO3 untersucht. Zudem wird das gewonnene Wissen auf feinkörniges polykristallines BaTiO3 übertragen. Die Anisotropie des Deformationsverhaltens wird mittels uniaxialer Kompression an <010> und <101> orientierter KNbO3 Einkristallen bei Raumtemperatur untersucht. Die Aktivierung des {110}<110> Gleitsystems und eine geringe kritische Schubspannung von 20-30 MPa verursachen hohe plastische Deformationen (4.6%) und erlauben die Bestimmung der daraus resultierenden Gleitbandstruktur. Eine Verringerung der Domänengröße von ursprünglich 1.8 µm zu 0.5 µm und lokale Umschaltexperimente bestätigen, dass Versetzungen als Nukleations- und Haftstellen für Domänenwände fungieren. Die versetzungsinduzierten Änderungen im funktionalen Verhalten wurden im Detail an <001> orienterten BaTiO3 Einkristallen untersucht. Kriechexperimente bei hohen Temperaturen verursachen einen mechanischen Eindruck, welcher zu einer rhombischen Domänenstruktur nach dem Abkühlen führt. Zudem ist ein starker Anstieg der dielektrischen und elektromechanischen Eigenschaften im subkoerzitiven Feldbereich zu beobachten. Basierend auf diesen Resultaten wurde eine Ausweitung des lokalen Domänenwand-Haftungskonzepts an Versetzungen entwickelt, hin zu einer makroskopischen Rückstellkraft die gegen die Domänenwandbewegung wirkt. Der mechanische Eindruck und die daraus resultierende Haftungskraft stabilisieren die a-c Domänenkonfiguration. Die Anwendung eines elektrischen Feldes verursacht eine Dehnungsinkompatibilität zwischen den fixierten Domänen und den geschalteten Domänen, welche die Grundlage für die makroskopische Rückstellkraft bildet. Diese Kraft verhindert das Schalten von weiteren Domänen bzw. fördert ein Zurückschalten von bereits geschalteten Domänen. Da plastische Deformation anisotrop ist, wird zudem ein kurzer Ausblick auf die Deformierbarkeit von <110> orientiertem BaTiO3 gegeben. Diese Daten deuten ein ähnliches Hochtemperaturverhalten an, wie es in SrTiO3 beobachtet wurde. Dieser Mechanismus ermöglicht ein tieferes Verständnis der Versetzungs-Domänenwand Wechselwirkung auf makroskopischem Level und ebnet den Weg für Anisotropieuntersuchungen an Einkristallen und auch einen Transfer zu polykristallinen Keramiken. Zudem wurde eine Kriechdeformationskarte für polykristallines BaTiO3 entwickelt. Der Einfluss der versetzungs- und diffusionsbasierten Kriechmechanismen auf mikroskopischer Ebene, sowie auf die elektromechanischen Eigenschaften wird ebenfalls diskutiert. Hierbei wurde ein Anstieg der Phasenübergangstemperatur von 5 °C, eine Verringerung der maximalen Polarisation von 10% und der elektromechanischen Dehnung um 30% beobachtet. Abschließend werden die verschiedenen Kriechmechanismen diskutiert. In dieser Arbeit wurden die Grundlagen für ein besseres Verständnis der plastischen Deformierbarkeit von KNbO3 and BaTiO3 Einkristallen gelegt und die daraus resultierenden Konsequenzen des mechanischen Eindrucks auf die ferroelektrischen Domänenstruktur, sowie die elektromechanischen Eigenschaften untersucht. Somit wurde auf makroskopischer Ebene der versetzungsbasierte Funktionalitätsansatz etabliert, welcher zu weiteren wichtigen Entwicklungen im Bereich der Eigenschaftsmodifikation von Ferroelektrika durch Versetzungen führen kann.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VII, 125 , CLXI Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Nonmetallic-Inorganic Materials
Date Deposited: 28 Jun 2021 09:04
Last Modified: 28 Jun 2021 09:04
DOI: 10.26083/tuprints-00018653
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-186538
Referees: Rödel, Prof. Dr. Jürgen ; Kleebe, Prof. Dr. Hans-Joachim
Refereed: 3 May 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18653
Export:
Actions (login required)
View Item View Item