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Schaltverhalten ferroelektrisch-ferroelastischer Materialien

Marsilius, Margarete Mie :
Schaltverhalten ferroelektrisch-ferroelastischer Materialien.
TU Darmstadt Material- und Geowissenschaften
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Schaltverhalten ferroelektrisch-ferroelastischer Materialien
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung Ziel dieser Arbeit ist es, ein möglichst umfassendes Verständnis der Schaltprozesse zu erlangen, die in ferroelektrisch-ferroelastischen Materialien unter elektrischer und mechanischer Belastung ablaufen und solcher Prozesse, die sich auf dieses Schalten auswirken. Dazu werden zunächst Grundlagen zur theoretischen Beschreibung des Schaltverhaltens, das sich auf eine Änderung der Domänenkonfiguration zurückführen lässt, erarbeitet. Ein vergleichsweise einfaches Konzept zur Beschreibung der ferroelektrischen Hysterese beruht auf der Landau-Theorie. Ferroelektrisch-ferroelastisches Schalten beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Großsignalhysteresen. Vielmehr kann man die elektrische oder mechanische Anregung und die von ihr hervorgerufenen Domänenkonfigurationsänderungen in drei Bereiche unterscheiden: den Kleinsignalbereich, den Rayleigh-Bereich und den Großsignalbereich. In der Literatur existieren nun verschiedene Ansätze das komplexe Materialverhalten phänomenologisch, mikromechanisch oder mit Hilfe von Zustandsfeldern zu modellieren. Außerdem wird das analytische Kolmogorov-Avrami-Modell vorgestellt, das zur Beschreibung der Systemdynamik herangezogen werden kann.

Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um PMN-PT-Einkristalle, eine über ein konventionelles Mischoxidverfahren hergestellte antiferroelektrische PNZST-Keramik und zwei kommerzielle ferroelektrische PZT-Keramiken, wobei die eine typische Eigenschaften weichdotierter und die andere hartdotierter Ferroelektrika aufweist. Zuerst wird rein elektrische beziehungsweise rein mechanische Anregung betrachtet und der Einfluss einer Frequenz- oder Amplitudenänderung der anregenden Last auf die ferroelektrischen und ferroelastischen Hysteresen analysiert. Anschließend wird der Einfluss einer Temperaturänderung und einer zusätzlichen konstanten Last näher untersucht. Zu den ferroelektrischen und ferroelastischen Hysteresen und deren Kenndaten werden auch die relative Permittivität, die Nachgiebigkeit und der piezoelektrische Koeffizient zur Charakterisierung heran gezogen. Hierbei kann das bekannte experimentelle Konzept zur Messung der relativen Permitivität auf den mechanischen Fall übertagen werden. Röntgen- und Neutronenbeugungsexperimente dienen dazu strukturelle Änderungen als Ursache für zuvor gemachte Beobachtungen zu identifizieren. Hier wird eine Domänen\-orientierungs\-verteilung beziehungsweise eine Domänenorientierungsdichte definiert und als Kenngröße verwendet. Aber auch die aus den Beugungsexperimenten gewonnen Gitterparameter werden betrachtet.

Es wird gezeigt, dass sowohl dem linearen als auch dem nichtlinearen Anteil am Materialverhalten intrinsische sowie extrinsische Ursachen zu Grunde liegen, aber mit Hilfe der Kleinsignalparameter ist es möglich diese Beiträge zu separieren. Dabei fällt auf, dass sich der nichtlineare Anteil in der polykristallinen Keramik zumindest in seiner Form vollständig auf extrinsische Ursachen zurückführen lässt, während intrinsische Ursachen nur zu einer Skalierung führen. Der Einfluss der Temperatur auf die ferroelastische Hysterese aber auch auf die ferroelektrische Dehnungshysterese wird bisher in der Literatur nur selten behandelt, da das Messen der Dehnung bei erhöhter Temperatur zu einigen experimentellen Schwierigkeiten führt. Im Rahmen dieser Arbeit konnten jedoch Aufbauten entwickelt werden, die Messungen der ferroelektrischen Hysteresen unter Druckspannung und Messungen der ferroelastischen Hysteresen bei verschiedenen Temperaturen und unter einem zusätzlichen konstanten elektrischem Feld erlauben. So kann beispielsweise beobachtet werden, wie sich die elektrische und mechanische remanente Dehnung mit steigender Temperatur verhält. Denn auf Basis theoretischer Überlegungen lässt sich diese Entwicklung nur schwer vorhersagen. Prinzipiell sinkt die spontane Dehnung der Einheitszelle im Material nichtlinear mit der Temperatur. Das kann zum Einen dazu führen, dass die remanente Dehnung ebenfalls abnimmt, gleichzeitig können aber bei einer kleineren spontanen Dehnung der Einheitszelle auch mehr Schaltprozesse zur Verfügung stehen. Experimentell zeigt sich nun, dass sowohl die elektrische als auch die mechanische remanente Dehnung mit steigender Temperatur linear abnehmen. Das erklärt sich mit einer Überlagerung beider Mechanismen, die jeweils mit der nichtlinearen Änderung der spontanen Dehnung der Einheitszelle skalieren. Bezüglich dem Unterschied zwischen elektrischer und mechanischer Belastung lässt sich feststellen, dass ferroelastisch in der weichdotierten, polykristallinen Keramik nahezu alle unter einer uniaxialen Druckspannung denkbaren Schaltprozesse ablaufen, während ferroelektrisch nur etwa 30~\% der denkbaren Schaltvorgänge stattfinden. Läuft das ferroelastische Schalten nicht vollständig ab, da beispielsweise die ursprüngliche Domänenkonfiguration stabilisiert vorliegt, kann zudem der Einfluss der mechanischen Druckspannung durch ein gleichgerichtetes elektrisches Feld noch verstärkt werden. Dieses zunächst der Intuition widersprechende Phänomen wird, wie auch das ferroelektrisch-ferroelastische Schaltverhalten insgesamt, auf der Basis von Domänenkonfigurationsänderungen und der Wechselwirkungen von Domänenwänden mit der Defektstruktur des Materials diskutiert. Während sich Parameteränderungen in den Keramiken zu großen Teilen durch Schaltprozesse beziehungsweise Domänenkonfigurationsänderungen erklären lassen, zeigt sich in den PMN-PT-Einkristallen, wie wichtig intrinsische Effekte sind. Denn diese können ihrerseits das extrinsische Schalten beeinflussen. Neben dem Einfluss externer Größen auf das ferroelektrisch-ferroelastische Schaltverhalten wird auch der Einfluss einer uniaxialen beziehungsweise radialen Druckspannung auf den feldinduzierten, antiferroelektrisch-ferroelektrischen Phasenübergang in PNZST untersucht. Dabei führt die uniaxiale Last zu einer Verschiebung des Phasenübergangs zu höheren Feldstärken. Eine radiale Last dagegen unterdrück den Phasenübergang in Teilbereichen der Probe. Um das ferroelektrisch-ferroelastische Materialverhalten nicht nur zu verstehen, sondern auch voraussagen zu können, wurde zudem auf der Basis der gemessenen Daten ein makroskopisches, mikromechanisches Modell entwickelt. Dieses beruht auf der mathematischen Formulierung eines Zustandsfeld-Modells beruht. Dabei konnte eine interessante Feststellung gemacht werden. Betrachtet man die zeitliche Entwicklung des Modells, so weist diese typische Charakteristika einer von Domänenwandbewegung herrührenden Dynamik auf, obwohl das makroskopische Modell keine Domänenwandbewegung beinhaltet. Die Dynamik der PZT-Keramik dagegen wird von Nukleationsprozessen dominiert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Abstract The electromechanical properties of polycrystalline ferroelectric and ferroelastic materials depend on intrinsic lattice effects as well as on extrinsic changes of the domain structure, so-called switching processes. The switching behavior of ferroelectric ceramics under multiaxial electromechanical loading is not only affected by external electric fields or mechanical stresses but also by orientation-dependant interactions with a large number of internal structural defects such as grain boundaries or defect dipoles. As a result it is challenging to predict. The aim of this work was a comprehensive study of the electromechanical switching behavior under different external conditions which can provide the foundation for new modelling approaches. The materials considered include two commercial lead zirconate titanate (PZT) ceramics showing the typical behavior of hard- and soft-doped ferroelectric materials, as well as relaxor-ferroelectric single crystals (PMN-PT) and an antiferroelectric ceramic (PNZST). Ferroelectric and ferroelastic hysteresis measurements for different frequencies and amplitudes were carried out at different temperatures and under an additional constant electrical or mechanical loading. In this way constant uniaxial as well as radial stresses were considered. In addition to the hysteresis measurements, the so-called small signal parameters – the relative permittivity, the elastic compliance and the piezoelectric coefficient – were recorded as a function of the external loading to characterize the linear material behavior. Furthermore, the microscopic origin of the material behavior was investigated using X-ray and neutron diffraction experiments that provide information about the domain orientation and the lattice distortion. According to the diffraction data, intrinsic and extrinsic microscopic origins were detected for both the linear and the nonlinear macroscopic material behavior. However, the shape of the nonlinear behavior can be sufficiently described by extrinsic processes. The intrinsic origins are represented by a scaling factor that is the same for both electrical and mechanical loading. The importance of intrinsic contributions arises considering the PMN-PT single crystals under mechanical stress. Differences in crystal structure of the single crystals enable to differ between intrinsic and extrinsic response. Here intrinsic response includes direct intrinsic material behavior but also changes originating from an influence of intrinsic effects on extrinsic switching behavior. Under radial stress the single crystal behavior is primarily an intrinsic response. Further salient results were obtained using a novel setup overcoming the experimental difficulties of temperature dependant ferroelectric or ferroelastic strain curves. The temperature dependant spontaneous strain of a unit cell was detected by diffraction measurements and decreased nonlinearly with increasing temperature. Mainly this led to two different mechanisms impeding a prediction for the temperature dependance of the macroscopic remanent strain. On the one hand, the remanent strain decreases because of the decrease in lattice distortion, but moreover an enhanced switching is expected. From the measurements it could be shown that the remanent strain decreases linearly with increasing temperature because both mechanisms scale with the nonlinear temperature dependance of the lattice distortion. Comparing the differences between electrical and mechanical loading, a counterintuitive phenomenon was observed. In the hard-doped ceramic, switching under mechanical load was reinforced by an additional electric field in the direction of the mechanical stress, although electrical and mechanical load were expected to counteract each other. A possible explanation considers the interaction between domain walls and the defect structure of the material. In the soft-doped ceramic, the ferroelastic switching was already complete, so the reinforcement could not be observed. In comparison, ferroelectric switching in the soft-doped ceramic was only up to 30% complete. This was also due to interaction of the domain walls and the material defect structure. In addition to the ferroelectric and ferroelastic behavior, the influence of external mechanical stresses on the electric field induced antiferroelectric-to-ferroelectric phase transition of PNZST ceramics was investigated. It was found that a uniaxial load shifts the transition to higher fields while a radial load partially suppresses the transition. Over the whole work different theoretical concepts were used to describe different aspects of the material behavior. For example the temperature dependance was modelled in the framework of the landau theory. Moreover, an existing microscopic phase field model was further developed into a macroscopic micromechanical model describing ferroelectric switching behavior. The dynamics of the switching process of that model, as well as of the experimental data, was analysed using the Kolmogorov-Avrami approach. Although the model did not include domain walls, it showed domain wall motion limited dynamics, whereas the dynamics of the soft-doped ceramic was nucleation limited.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Nichtmetallisch-Anorganische Werkstoffe
Date Deposited: 01 Jul 2011 08:33
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26373
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Granzow, PD Dr. Torsten and Donner, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 1 June 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2637
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