Schneider, Deborah (2016)
Anisotropie in Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 Einkristallen: Elektromechanische Eigenschaften, Phasenstabilität und Phasenübergänge in Abhängigkeit des BaTiO3-Gehaltes.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication
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Text
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Item Type: | Ph.D. Thesis | ||||
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Type of entry: | Primary publication | ||||
Title: | Anisotropie in Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 Einkristallen: Elektromechanische Eigenschaften, Phasenstabilität und Phasenübergänge in Abhängigkeit des BaTiO3-Gehaltes | ||||
Language: | German | ||||
Referees: | Rödel, Prof. Dr. Jürgen ; Genenko, PD Dr. Yuri | ||||
Date: | February 2016 | ||||
Place of Publication: | Darmstadt | ||||
Date of oral examination: | 13 January 2016 | ||||
Abstract: | In der hier vorgestellten Arbeit wurden Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 (BNT-100xBT) Kristalle mit Zusammensetzungen im rhomboedrischen und tetragonalen Teil des Phasendiagramms sowie entlang der morphotropen Phasengrenze (MPG) untersucht (x = 0,036; 0,058; 0,063; 0,088). In der Literatur existieren bisher hauptsächlich Daten für MPG Kristalle in <001>-Richtung. Zum vollständigen Verständnis für Polarisations- und Dehnungsmechanismen in Einkristallen muss jedoch das Verhalten in unterschiedlichen Schnittrichtungen untersucht werden. Um diese Lücke zu schließen, wurden in dieser Arbeit BNT-100xBT Einkristalle in den pseudokubischen Schnittrichtungen <001>, <110>, und <111> untersucht. Die Anisotropie der piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften wurde durch die Messung von Polarisations- und Dehnungshysteresen sowie von Permittivität und piezoelektrischen Koeffizienten beleuchtet. Die Studie der Polungskurven offenbart einen feldinduzierten Übergang von einem nicht-ergodisch-en Relaxor zu einem Ferroelektrikum mit langreichweitiger Wechselwirkung unterhalb der Übergangstemperatur TF-R. Ungepolte BNT-100xBT Einkristalle zeigen noch Isotropie in der Permittivität. Durch Polung werden in die unterschiedlichen Richtungen verschiedene Domänenstrukturen erzeugt, was sich in einsetzender Anisotropie der Permittivität äußert. Obwohl die Permittivität richtungsabhängig wird, sind die Übergangstemperaturen TF-R im Rahmen der Messgenauigkeit, bis auf die Ausnahme der <110>-Richtung in BNT-6,3BT, richtungsunabhängig. Wie auch in polykristallinen Keramiken wurden in einigen Proben von der Übergangstemperatur TF-R abweichende Depolarisationstemperaturen Td beobachtet. Das Depolarisationsverhalten aller Proben ist sowohl von der Richtung als auch der Zusammensetzung abhängig. In BNT-3,6BT ist Td richtungsabhängig und ungleich TF-R. Während in <001>-Richtung ähnlich wie in polykristallinen BNT-100xBT Keramiken Td kleiner als TF-R ist, ist in <111>-Richtung Td größer. Obwohl die langreichweitige Wechselwirkung schon zerfallen ist, bleibt die makroskopische Polarisation erhalten. Dies deutet darauf hin, dass BNT-3,6BT in <111>-Richtung ein nicht-ergodischer Relaxor ist. In BNT-5,8BT und BNT-6,3BT sind Td sowie TF-R für die einzelnen Proben annähernd identisch. Die Richtungsabhängigkeit von Td bei niedrigen BT-Gehalten lässt sich mit der unterschiedlichen Stabilität der durch die Polung induzierten ferroelektrischen Domänenkonfigurationen erklären. Es ist davon auszugehen, dass durch ein externes Feld eine komplizierte Domänenstruktur in einer bestimmten Richtung induziert, welche instabiler gegen Temperaturerhöhung ist und daher bei bis zu 30 °C niedrigeren Temperaturen zerfällt als die Domänenstrukturen in die anderen beiden Richtungen. Je energetisch günstiger und somit stabiler ein Zustand ist, umso größer ist die Zerfallstemperatur. Nahe der MPG wurden mehrstufige Depolarisationsprozesse beobachtet, welche durch den MPG-Charakter verursacht werden. Es ist möglich, sowohl tetragonale als auch rhomboedrische Strukturelemente zu induzieren, welche verschieden stabil sind und somit bei unterschiedlichen Temperaturen in PNR zerfallen. Die Ergebnisse der ferro- und piezoelektrischen Großsignalmessungen bei Raumtemperatur geben keinen Hinweis auf, in bleihaltigen Systemen beobachtete, Polarisationsrotation als Mechanismus für hohe reversible Dehnungen. Irreversible Polarisationsrotation kann vor allem im Polungszyklus in <001>-Richtung in BNT-5,8BT nicht ausgeschlossen werden. Die Resultate lassen sich unter der Annahme erklären, dass BNT-3,6BT rhomboedrisch ist, BNT-5,8BT aus rhomboedrischen wie tetragonalen Phasenanteilen besteht und BNT-8,8BT primär tetragonal ist, auch wenn unter Feld rhomboedrische Phasenanteile induziert werden können. Weiterhin wurde in dieser Arbeit das Umschaltverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Der Schaltprozess ist für verschiedene Zusammensetzungen von unterschiedlicher Natur. Während in rhomboedrischen Systemen die Polarisationsumkehr bei hohen Temperaturen über PNR Zwischenzustände stattfindet, werden in der Nähe der MPG unterschiedliche rhomboedrische und tetragonale Phasen erzeugt. Ungewöhnlich hohe Dehnungen konnten in den Zusammensetzungen nahe der MPG entlang den <001>-Richtungen gemessen werden, wenn sich die Temperatur der Depolarisationstemperatur näherte. In BNT-5,8BT wurde z.B. eine Dehnung von 0,72 % bei einem Feld von nur 3 kV/mm gemessen. Dies entspricht einem d*33 von 2400 pm/V. Diese hohe Dehnung lässt sich jedoch nicht durch Polarisationsrotation erklären, sondern durch eine Kombination aus Polarisationsextension und Übergang zwischen polarer ferroelektrischer Phase und unpolarer Relaxorphase. |
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Alternative Abstract: |
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URN: | urn:nbn:de:tuda-tuprints-52783 | ||||
Classification DDC: | 500 Science and mathematics > 500 Science 500 Science and mathematics > 530 Physics |
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Divisions: | 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science | ||||
Date Deposited: | 10 Feb 2016 09:16 | ||||
Last Modified: | 09 Jul 2020 01:13 | ||||
URI: | https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5278 | ||||
PPN: | 369880323 | ||||
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