Strukturelle Untersuchungen zur Aufklärung der elektrischen Ermüdung in PZT

Prof. Dr. W. Donner (FG Strukturforschung)
Prof. Dr. H.J. Kleebe (Institut für Angewandte Geowissenschaften)
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Die Variation der Domänenbreite und die Änderung der Röntgenreflexe als Funktion der Zusammensetzung wurden im morphotropen Phasenbereich (MPB) an undotierten PZT Proben systematisch untersucht. Zusätzlich hat konvergente Elektronenbeugung (CBED) zu Aussagen über die Symmetrie geführt. Neben der bekannten tetragonalen Mikrodomänenstruktur (Breite ~ 200 nm) ließen sich Nanodomänen (~ 3-30 nm) nachweisen, die als mögliche Erklärung für den hohen gemessenen piezoelektrischen Koeffizienten im MPB herangezogen werden können. Die kleineren Domänenstrukturen haben eine deutlich höhere Mobilität unter elektrischem Feld.
Die Kombination der Abbildung mit Ergebnissen der Beugung ergibt ein konsistentes Bild der Struktur im morphotropen Bereich, das die früher postulierte monokline Phase [1] ausschließt.

Ergänzt wurden die Arbeiten durch Beobachtungen als Funktion der Temperatur und eines äußeren elektrischen Feldes, aus denen Rückschlüsse auf das Schaltverhalten von Piezokeramiken auf mikroskopischer Skala gezogen werden können. In situ Synchrotrondiffraktion zeigte, dass die Nanostruktur unterschiedlich auf angelegtes Feld reagiert und durch Dotierung mit 1 mol % La stabilisiert werden kann. Ferner resultiert aus dieser Dotierung eine Verkleinerung der bei einer bestimmten Zusammensetzung und Sintertemperatur vorhandenen Domänenstruktur.

Das neue Modell der Nanodomänen und die bisher durchgeführten Schaltexperimente sollen in der neuen Förderperiode durch feldabhängige TEM-Beobachtungen untermauert werden. Ergänzend wird an ausgewählten dotierten Proben der Einfluss unterschiedlicher Elemente auf die Stabilität von Domänenbereichen bearbeitet. Die bisher durchgeführten Synchrotronarbeiten sollen auf zeit- und feldabhängige Messungen durch Anwendung von Stroboskopie erweitert werden, um die Zeitdynamik von Schaltprozessen zu untersuchen. Dies bietet die Möglichkeit, langsame und schnelle Prozesse gezielt zu betrachten, die bei der elektrischen Ermüdung eine große Rolle spielen.

Parallel zu den Arbeiten an PZT-Keramiken werden bleifreie Proben mit ins Forschungsprogramm aufgenommen, wobei die beiden Systeme BiZn0,5Ti0,5O3 und BiZn1/3Nb2/3O3 zu Beginn im Vordergrund der Untersuchungen stehen. In diesen bisher noch weitgehend unbekannten Systemen gilt es zunächst grundlegende Arbeiten zur Zusammensetzung, kristallographischen Struktur und zum Phasendiagramm zu leisten, wozu die für das PZT-System erarbeitete Grundlagen von großem Vorteil sind. In der Folge wird dann die Abbildung von Domänen in Abhängigkeit der Struktur unter verschiedenen äußeren Bedingungen (Temperatur, elektrisches Feld) bearbeitet, um die Ergebnisse in Korrelation mit dem Modell der Nanodomänen zu setzen.