Herstellung und Charakterisierung Sol-Gel basierter Kalium-Natrium-Niobat-Schichten

Ferroelektrika werden in zahlreichen technischen Anwendungen als Aktoren und Sensoren eingesetzt. Das mit Abstand am häufigsten eingesetzte Material ist hierbei PZT. Dieses enthält allerdings Blei und ist deshalb von der RoHS-Richtlinie betroffen. Es muss daher mittelfristig durch RoHS konforme Alternativen ersetzt werden. Eine mögliche Alternative stellt das in dieser Arbeit untersuchte KNN dar. Zur Herstellung der KNN-Schichten wurde das kostengünstige Sol-Gel-Verfahren verwendet. In der Arbeit wurden zwei neue Sol-Varianten auf Basis von 1,3-Propandiol und Essigsäure entwickelt. Durch die Optimierung verschiedener Parameter wie des Alkalimetallüberschusses oder der Temperaturführung ließen sich signifikante Verbesserungen der Schichteigenschaften wie eine verbesserte Morphologie, Phasenzusammensetzung und elektrische Kennwerte erreichen. Des Weiteren wurde das Sol-Gel-Komposit-Verfahren erstmalig zur Herstellung dicker KNN-Schichten mit einem Schichtdickenbereich von 1-30 µm verwendet. Auch hier konnten durch die Optimierung des Herstellungsprozesses signifikante Verbesserungen der Eigenschaften erzielt werden. Somit sind nun KNN-Schichten mit Schichtdicken von unter einem Mikrometer bis zu mehreren zehn Mikrometern herstellbar.

Ferroelectics are used in a large number of technical applications as actuators and sensors. The material with the biggest marcet share is PZT. However, it contains lead and is hence affected by the RoHS directive. It has to be replaced medium term by RoHS conform alternatives. One of the possible materials is the KNN which was investigated in this study. To produce the KNN-Films the cost effective Sol-Gel process has been used. In this work two new sol types on the basis of 1,3-propandiole and acetic acid have been developed. By means of improvement of different processing parameters like the alkali metal excess or the temperature treatment a significant improvement of the film properties such as morphology, phase composition and electrical features could be achieved. Furthermore the Sol-Gel-composite process has been used for the first time to fabricate KNN films with a range of the thickness of 1 – 30 µm. A significant improvement of the film properties could be achieved by the optimisation of the processing parameters here as well. So KNN films with a thickness range from on micrometre up to several tens of micrometres can be produced now.