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Phase Transformation Kinetics and Oxygen Transport in the Relaxor Ferroelectric Na1/2Bi1/2TiO3 studied by First-Principles Calculations

Meyer, Kai-Christian :
Phase Transformation Kinetics and Oxygen Transport in the Relaxor Ferroelectric Na1/2Bi1/2TiO3 studied by First-Principles Calculations.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Phase Transformation Kinetics and Oxygen Transport in the Relaxor Ferroelectric Na1/2Bi1/2TiO3 studied by First-Principles Calculations
Language: English
Abstract:

Health and environmental-friendly aspects of daily life have increased in importance over the last decades. As materials scientists, we are able to develop non-hazardous materials, which can replace the toxic materials that are currently used in piezoelectric devices. Also, the efficiencies of cooling and energy conversion devices can be improved by new materials, which are especially important in industrialized countries. In this work we tackle these aspects from a computer-aided modeling point of view. A major aim of this work is to study the inetic processes of the relaxor ferroelectric sodium bismuth titanate Na1/2Bi1/2 TiO3 (NBT) on a fundamental level by first-principles density functional theory (DFT) calculations. This material is of particular interest since its solid solutions are viable candidates to replace the toxic, however yet indispensable, lead zirconium titanate (PZT) in various piezoelectric and cooling applications. Within this thesis we investigate the influence of chemical A-cation order, octahedral tilts and cation displacements on the macroscopic properties. In particular, we study phase transformations, try to identify the origins of the relaxor ferroelectric properties, investigate oxygen migration and polar defect associates. Further, we employ Ising-like Monte Carlo (MC) simulations and ab initio based effective molecular dynamics (MD) simulation to study the electrocaloric effect (ECE) in ferroelectrics, anti-ferroelectrics and relaxor ferroelectrics. The ECE describes the increase in temperature of a material when an electric field is applied. Although the effect is rather small, it might be possible to utilize it in solid-state cooling devices in the future. Relaxor ferroelectrics are expected to increase the achievable temperature change compared to conventional ferroelectrics. It is also investigated how polar defects, which are unavoidable in devices, influence the ECE. We find that the energy landscape of NBT for octahedral tilts is very flat, thus different kinds of octahedral tilt patterns can easily be introduced and the underlying order of the A-cations is very important. These local deviations in tilt pattern then can lead to locally varying A-cation displacements which result in different polarizations, leading to the observable relaxor properties. The phase and symmetry transitions also influence the ionic conductivity and defect associates. Further, our employed MC and MD calculations could not show any increase of the ECE for relaxors, compared to conventional ferroelectrics.However, the simple Ising-like model proved to be sufficient to explain the negative electrocaloric temperature change observed in anti-ferroelectrics and ferroelectrics containing polar defects.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Über die letzten Jahrzehnten haben Gesundheits- und Umweltaspekte erheblich an Bedeutung zugenommen. Als Materialwissenschaftler können wir nicht-toxische Materialien entwickeln, welche die bisher verwendeten umweltschädlichen Materialien ersetzen. Ein anderer Ansatzpunkt ist die Erhöhung der Effizienz von Kühlzyklen und Systemen zur Energieumwandlung, welche insbesondere für Industrienationen wichtig sind. In dieser Arbeit befassen wir uns mit diesen Problemen mit Hilfe von computergestützter Modellierung. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der kinetischen Prozesse im Relaxorferroelektrikum Natrium Bismut Titanat Na1/2Bi1/2TiO3 (NBT) durch ab initio Dichtefunktionaltheorie (DFT) Simulationen. Dieses Material ist von besonderer Be- deutung, da seine Mischkristalle mögliche Kandidaten für das Ersetzen des toxischen, aber bisher unverzichtbaren, Blei-Zirkonat-Titanats (PZT) in verschiedenen piezoelektrischen Anwendungen und in neuen Kühltechnologien sind. Wir untersuchen den Einfluss von lokaler A-Kationenordnung, Oktaederverkippung und Kationenverschiebung, die maßgeblich die makroskopischen Eigenschaften beeinflussen. Im speziellen werden Phasentransformationen analysiert, nach den Gründen für die Eigenschaften des Relaxorferroelektrikums gesucht, die Sauerstoffmigration und polare Defektassoziate untersucht. Im zweiten Teil werden Monte Carlo (MC) und Molekulardynamik (MD) Simulationen verwendet um den elektrokalorischen Effekt (ECE) zu untersuchen. Dieser Effekt beschreibt den Anstieg der Temperatur, wenn ein elektrischen Feld angelegt wird. Auch wenn dieser Effekt relativ klein ist, kann dieser Effekt in Zukunft möglicherweise in Festkörperkühlgeräten eingesetzt werden. Es wird angenommen, dass Relaxorferroelektrika den erreichbaren Temperaturunterschied im Vergleich zu konventionellen Ferroelektrika erhöhen könnten. Außerdem wird der Einfluss von polaren Defekten, welche in praktischen Anwendungen unvermeidbar sind, auf den ECE untersucht. Wir zeigen, dass die Energielandschaft für Oktaederverkippungen in NBT sehr flach ist, diese also leicht auftreten können. Die Anordnung der A-Kationen spielt jedoch eine entscheidende Rolle. Die lokalen Abweichungen in den Verkippungen der Oktaeder ermöglichen eine lokale Variation der A-Kationverschiebungen, was zu unterschiedlichen Polarizationen führt und damit die beobachtbaren Relaxoreigenschaften erklären kann. Die Phasen- und Symmetrieübergänge beeinflussen zusätzlich die ionische Leitfähigkeit und das Bilden von Defektassoziaten. Außerdem konnten mit wir mit den verwendeten MC und MD Modellen keine Steigerung des ECE in Relaxoren im Vergleich zu typischen Ferroelektrika feststellen. Jedoch konnte ein einfachen Modell, basierend auf dem Ising Modell, den negativen ECE beschreiben, der in Antiferroelektrika und Ferroelektrika mit polaren Defektassoziaten auftritt.German
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
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Materials Modelling
Date Deposited: 04 Sep 2017 13:45
Last Modified: 04 Sep 2017 13:45
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-65179
Referees: Albe, Prof. Dr. Karsten and Lupascu, Prof. Dr. Doru and Donner, Prof. Dr. Wolfgang and Vogel, Prof. Dr. Michael
Refereed: 19 June 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6517
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