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Ermüdung von Pb(Zr,Ti)O3 für unterschiedliche elektrische Belastungsformen

Balke, Nina :
Ermüdung von Pb(Zr,Ti)O3 für unterschiedliche elektrische Belastungsformen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ermüdung von Pb(Zr,Ti)O3 für unterschiedliche elektrische Belastungsformen
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen von unipolarer, sesquipolarer und bipolarer Zyklierung auf Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) Keramiken untersucht und Modelle zu ihrer Beschreibung und Erklärung erarbeitet. Im Fall der bipolaren Ermüdung wurden unterschiedliche Elektrodenmateralien und Dotierungen untersucht. Zusätzlich wurde der Einfluss einer Gleichspannungsbelastung auf die Materialparameter gemessen. Die Gleichfeldbelastung und die Ermüdung mit unipolaren elektrischen Feldern führen zur Entwicklung von asymmetrischen und verschobenen ferroelektrischen Hysteresen. Diese Veränderungen können durch Trennung von Ladungsträgern im Material erklärt werden, die ein Offsetfeld und eine Offsetpolarisation aufbauen. Bei der bipolaren Ermüdung treten mehrere Ermüdungsmechanismen gleichzeitig auf. Ist der elektrische Kontakt zwischen Probe und Elektrode inhomogen oder sind die Korngrenzen mechanische Schwachpunkte (Mikrorissbildung), so tritt eine Veränderung der Probe in Bereichen nahe den Elektroden auf. Diese Bereiche heben sich farblich vom übrigen Probenvolumen ab, und die Mikrostruktur erscheint aufgeschmolzen. Als Ursache hierfür wird die Zersetzung der Probe bzw. die Bildung von PbO durch elektrische Überschläge und Temperaturerhöhungen in der Probe angenommen. Bei einem guten elektrischen Kontakt und keiner oder wenig Mikrorissbildung ermüden die Proben homogen im Volumen, und es entstehen durch die Ermüdung Raumladungen, die Einfluss auf die Polarisationsorientierung haben und Domänen bei den angelegten Feldern festhalten können. PFM-Messungen (Piezoresponse Force Microscopy) zeigen, dass es sich hierbei um positive Raumladungen handelt. Einen weiteren Einfluss auf die bipolare Ermüdung hat das mittels PFM-Messungen bestimmte lokale Schaltverhalten der Probe, welches auch durch die bipolare Ermüdung nicht verändert wird. Ist die Verteilung der Koerzitivspannungen schmal, so ermüdet die Probe weniger als bei einer breiten Verteilung. Bei letzterer treten mehr mechanische Spannungen zwischen Körner auf, weil die Schaltspannungen von benachbarten Körnern unterschiedlich sein können. Zusätzlich wurde neben dem rein unipolaren oder bipolaren Fall wurden auch Ermüdungsuntersuchungen mit sesquipolaren Signalen durchgeführt. Durch das sesquipolare Signal werden die Domänen in der Probe in positiver Feldrichtung komplett und in negativer Feldrichtung teilweise geschaltet. Dieses Signal stellt also ein Zwischenzustand zwischen unipolaren und bipolaren Signalen dar. Die sesquipolare Zyklierung führt zu ähnlichen Veränderungen der Materialparameter wie die unipolare Ermüdung oder die Gleichfeldbelastung, jedoch tritt ein Übergang zu bipolaren Ermüdungsmechanismen ein, wenn die negativen Felder so groß sind, dass signifikante Anteile der Probe in positive und negative Feldrichtung geschaltet werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present work deals with the effect of unipolar, sesquipolar, and bipolar cycling on material properties of Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) ceramics and works out models to describe and explain the observed effects. In the case of bipolar fatigue the influence of different dopants and electrode material was observed. Additionally, the change of material parameters with applied dc voltages was investigated. The application of dc voltage and the unipolar cycling lead to the asymmetry and shifts of the ferroelectric hystereses. These changes can be explained by the separation of charge carriers which built up an offset field and offset polarisation in the material. In the case of bipolar fatigue two different scenarios can occur. If the electric contact between sample and electrode is bad or the grain boundaries are mechanically weak (microcrack formation), then drastic material changes in near electrode regions can be observed. The damaged region can be identified by colour changes and the microstructure in this region seem to be molten. The origin of the material damage is supposed to be decomposition of the sample, this is the formation of PbO due to electrical breakdowns at the microcracks and the accompanied temperature increase. Is the electric contact between sample and electrode good and no microcracks form, the sample is homogeneously fatigued and no material damage can be observed. In this case space charges are created in the material which influences the orientation of the polarisation by pinning of domains. PFM (Piezoresponse Force Microscopy) measurements show that the space charges must be positive. Also the local switching behaviour, which can be measured with PFM, influences the fatigue behaviour. A small distribution of coercive voltages leads to much less fatigue than a broader distribution. A broad distribution of coercive voltages is accompanied by more mechanical stress during switching and more cracking can occur. Besides the pure unipolar and pure bipolar loads additional measurements were done with sesquipolar loads. This load switches the domains completely in positive field direction and only partly in negative direction. Sesquipolar load is therefore an intermediate load between unipolar and bipolar loads. Sesquipolar cycling leads to similar changes of the ferroelectric hystereses as in the unipolar or dc load case. However, there is a transition between unipolar and bipolar behaviour if the negative field is large enough to switch significant parts of domains in the negative field direction.English
Uncontrolled Keywords: Unipolar, Bipolar
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Unipolar, BipolarGerman
Unipolar, BipolarEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000733
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7334
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Rödel, Prof. Dr. Jürgen and von Seggern, Prof. Dr. Heinz
Advisors: Lupascu, Prof. Dr. Doru Constantin
Refereed: 3 July 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/733
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