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Strukturuntersuchungen an bleifreien Ferroelektrika mittels TEM

Kling, Jens :
Strukturuntersuchungen an bleifreien Ferroelektrika mittels TEM.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Strukturuntersuchungen an bleifreien Ferroelektrika mittels TEM
Language: German
Abstract:

Funktionsmaterialen spielen im modernen Leben eine wichtige Rolle. Ferroelektrische Materialien, in erster Linie Pb(Ti,Zr)O3 (PZT), finden in verschiedensten Bauteilen Einsatz, wie z.B. als Aktuatoren, Drucksensoren, Schallwandler, elektroakustische Wandler oder ferroelektrische RAM. Nach der Verabschiedung der RoHS (Restriction of the use of certain hazardous substances) im Januar 2003 wurden die Forschungsanstrengungen zur Synthese bleifreier Piezo- und Ferroelektrika, die PZT ersetzen sollen, verstärkt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde solch ein bleifreies System, (Bi,Na)TiO3-BaTiO3-(K,Na)NbO3, mittels Elektronenmikroskopie strukturell charakterisiert. So ist es möglich zusammensetzungsabhängig die Mikrostruktur der Keramiken zu charakterisieren und gleichzeitig Aussagen über die Kristallstruktur zu treffen. Basierend auf den Ergebnissen können Gemeinsamkeiten und Unterschiede gefunden und die Zusammensetzungen entsprechend gruppiert werden. Zusätzlich ist es möglich lokale Phasen zu identifizieren, die auf Grund ihres geringen Phasenanteils mit anderen Methoden, wie Röntgen- oder Neu-tronenbeugung, nicht detektiert werden können. Die Frage einer möglichen Kationenordnung in den bleifreien Systemen wurde durch die Kombination von dichtefunktionaltheoretischen Berechnungen, hochauflösender TEM (HRTEM) und Simulation von HRTEM-Aufnahmen bearbeitet. Hierzu wurde das verwandte System (Bi,Na)TiO3–BaTiO3 verwendet. Es wurden verschiedene in Frage kommende Kationenordnungen aufgestellt und berechnet. Diese bildeten die Basis für die HRTEM-Simulationen. Durch Vergleich mit experimentellen HRTEM-Aufnahmen konnte so eine mögliche Anordnung der Kationen identifiziert, eine Kationenordnung jedoch ausgeschlossen werden. Da vor allem das Verhalten des Materials unter äußerem Einfluss wie Temperatur und elektrischem Feld für Anwendungen von Interesse ist, wurden entsprechende in situ Techniken im Transmissionselektronenmikroskop angewendet und weiterentwickelt. Somit können die Strukturänderungen direkt unter externem Einfluss beobachtet werden. Die Entwicklung der Mikrostruktur sowie strukturelle Phasenübergänge konnten temperaturabhängig verfolgt werden. Aus diesen Ergebnissen und der Verknüpfung mit dielektrischen Messungen konnte die Strukturentwicklung in einem Phasendiagramm beschrieben werden. Die Beobachtungen unter äußerem elektrischen Feld lassen Rückschlüsse auf eine reversible feldinduzierte Phasenumwandlung zu. Auch hier wurden die TEM-Ergebnisse mit makroskopischen Untersuchungen, Polarisations- und Dehnungshysteresemessungen, korreliert. Diese Ergebnisse liefern ein klareres Bild der Struktur BNT-basierter Ferroelektrika, besonders auf der mikrostrukturellen Ebene, und bilden die Basis einer gezielten Weiterentwicklung dieser Materialklasse.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Functional materials play an important role in modern life. Ferroelectric materials, mainly Pb(Ti,Zr)O3 (PZT), are used in various components, such as actuators, pressure sensors, transducers, electro-acoustic transducer, or ferroelectric RAM. Following the adoption of the RoHS (Restriction of the use of certain hazardous substances) in January 2003, the research efforts for the synthesis of lead-free piezo- and ferroelectrics, which are intended to replace PZT, were greatly increased worldwide. In this thesis, such a lead-free system, (Bi,Na)TiO3-BaTiO3-(K,Na)NbO3, was structurally characterized using electron microscopy. This technique allows the characterization of the composition dependent microstructure of the ceramics and, in addition, to draw conclusions on the crystal structure. Based on the results similarities and differences can be found according to the respective compositions. Moreover, it is possible to identify local phases, which cannot be detected with other methods such as X-ray or neutron diffraction due to their low phase fraction. The issue of a possible cation ordering in the lead-free systems has been studied by the combination of density functional theory calculations, high-resolution TEM (HRTEM) and simulation of HRTEM images. For this purpose, the related system (Bi,Na)TiO3-BaTiO3 was used. Several feasible models for ordering were proposed and calculated, which formed the basis of the HRTEM simulations. By comparison with experimental HRTEM images it was possible to identify specific cation arrangements; however, cation ordering could be excluded. The behavior of the material under external influence such as temperature and electric field is of special interest for potential applications of such materials. In situ techniques were applied in the transmission electron microscope and further developed. Structural changes were observed directly under various temperatures or external electric field. The temperature-dependent evolution of the microstructure and structural phase transitions were monitored and correlated with dielectric measurements. The structural development of the different compositions was combined in a phase diagram. The observations under external electric field indicated a reversible field-induced phase transformation. The TEM results were successfully correlated with macroscopic studies, especially polarization and strain hysteresis measurements. These results provide a consistent picture of the structure of BNT-based ferroelectrics, particularly at the microstructural level, and form the basis for the future development of this class of materials.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften
Date Deposited: 18 Jan 2012 11:35
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28393
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Kleebe, Prof. Hans-Joachim and Fueß, Prof. Hartmut
Refereed: 5 December 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2839
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