TU Darmstadt / ULB / TUprints

Anisotropie in Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 Einkristallen: Elektromechanische Eigenschaften, Phasenstabilität und Phasenübergänge in Abhängigkeit des BaTiO3-Gehaltes

Schneider, Deborah :
Anisotropie in Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 Einkristallen: Elektromechanische Eigenschaften, Phasenstabilität und Phasenübergänge in Abhängigkeit des BaTiO3-Gehaltes.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

[img]
Preview
Text
DissertationSchneiderDeborah.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 3.0 de.

Download (6MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Anisotropie in Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 Einkristallen: Elektromechanische Eigenschaften, Phasenstabilität und Phasenübergänge in Abhängigkeit des BaTiO3-Gehaltes
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the following thesis, Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 (BNT-100xBT for x =0.0 36, 0.058, 0.063, 0.088) single crystals are presented with different compositions on the rhombohedral and tetragonal side of the phase diagram as well as along the morphotropic phase boundary (MPB) have been investigated. In the majority of the current literature only data for <001> oriented crystals with compositions near to the MPB exist. For a full understanding of the polarization and strain mechanism in single crystals, it is necessary to investigate the behavior in different orientations. In order to close this gap, BNT-100xBT single crystals samples cut in <001>, <110> and <111> have been investigated in this thesis. The anisotropy of the piezoelectric and dielectric properties have been illuminated by the measurement of polarization and strain hysteresis as well as by the permittivity and piezoelectric coefficients as a function of temperature. The study of poling curves on virgin samples prior to permittivity measurements revealed a field-induced transition from a non-ergodic relaxor state to a ferroelectric state with long-range order below TF-R. Unpoled BNT-100xBT single crystals, however, still show isotropic behavior in their permittivity. By poling along different directions, different domain structures are induced that can be noticed directly in the anisotropy in the magnitude in permittivity. Though the permittivity becomes orientation dependent, the transition temperatures TF-R remains orientation independent within the measurement accuracy (with one exception, the <110>-oriented sample in BNT-6.3BT). As observed in polycrystalline ceramics with similar compositions, the transition temperature TF-R does not always match with the depolarization temperature Td. The depolarization behavior in all samples depends on the orientation as well as on the composition. In BNT-3.6BT, Td depends on the orientation and unequal to TF-R. While for the <001>-orientation Td is smaller than TF-R in agreement with the observation in polycrystalline ceramics, in the <111>-oriented sample Td exceeds TF-R. It can be inferred that although the long-range order has already decayed, the macroscopic polarization is preserved. This indicates that BNT-3.6BT acts as a non-ergodic relaxor in the <111>-direction. In BNT-5.8BT and BNT-6.3BT, the Td and TF-R are for each sample orientation approximately equal. The enhanced dependence of the Td on the crystal orientation in the compositions with low BT content can be explained by the different stabilities of the poling induced ferroelectric domain configurations. It is reasonable to assume an external field induces a complicated domain structure in a certain direction, i.e. <110>, which is less stable with temperature and therefore decays at temperatures which are up to 30 °C smaller than the decay temperatures of the other domain structures that were formed in other poling directions. The more energetically favorable and therefore stable a domain state is, the higher is the decay temperature. Near the MPB for BNT-5.8BT and BNT6.3BT a multistep depolarization process that is caused by the MPB character has been observed in thermally stimulated depolarization current measurements. It is possible to induce tetragonal as well as rhombohedral structure elements which are not equally stable and therefore decay from these ferroelectric phases into PNRs at different temperatures. The results of the ferroelectric and piezoelectric large signal measurements at room temperature do not provide any indication for polarization rotation being the mechanism for the observed high reversible strain such as was determined to be the case for similar lead-based relaxor systems. Nevertheless, an irreversible polarization rotation especially in the poling cycle from BNT-5.8BT in the <001> oriented sample cannot be explicitly excluded. The results can be explained based on the assumption that BNT-3.6BT is rhombohedral, BNT-5.8BT consists from rhombohedral and tetragonal phase structure elements and BNT-8.8BT is primarily tetragonal, even though it is possible to induce rhombohedral phase structure with electric field applied along specific orientations. Furthermore, bipolar polarization hysteresis at different temperatures has been investigated. The nature of the switching process is different for each of the different compositions. In rhombohedral systems, the polarization reversal at elevated temperatures involves intermediate PNR states, but near the MPB different rhombohedral and tetragonal ferreoelectric phases are created. Unusually high strains have been measured in these compositions near the MPB along the <001> directions for temperatures close to the depolarization temperature. For example, in BNT-5.8BT, strains of 0.72 % under a field from 3 kV/mm have been measured. This results in a d33* corresponding to 2400 pm/V. This high strain may be explained not only by polarization rotation but also by a combination of polarization extension and a transition between non-polar relaxor phase and electric field-induced polar ferroelectric phase.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
Date Deposited: 10 Feb 2016 09:16
Last Modified: 10 Feb 2016 09:16
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52783
Referees: Rödel, Prof. Dr. Jürgen and Genenko, PD Dr. Yuri
Refereed: 13 January 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5278
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year