Lead-free piezoelectric single crystals with high strain: orientation dependance, polarization rotation and morphotropic phase boundaries

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jürgen Rödel
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 194906439

Der Bereich piezoelektrischer Aktorwerkstoffe wird dominiert von bleihaltigen Systemen wie PZT oder PMN-PT. Auf Grund der Toxizität von Blei ist die Suche nach einem bleifreien Ersatzwerkstoff eine der dringlichsten Aufgaben auf diesem Feld. Dabei tauchen zwei Ansätze immer wieder auf: Die Substitution von Pb2+ durch das isoelektronische Bi3+ und die Untersuchung von Mischkristallsystemen mit dem Ziel der Identifikation mophotroper Phasengrenzen (MPBs), da anwendungsrelevante Eigenschaften hier häufig ein Optimum erreichen. Dafür gibt es unterschiedliche Erklärungsansätze; der wichtigste basiert auf der Drehung der Polarisationsrichtung in rhomboedrischen Systemen aus der pseudokubischen (111)-Richtung in die (100)-Richtung unter Durchlaufen einer monoklinen Zwischenphase. Die Anwendbarkeit dieser Hypothese auf Bi-haltige bleifreie Piezokeramiken wurde bisher nicht systematisch überprüft. Im Rahmen dieses Projektes wird daher die Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften einkristalliner Proben der Verbindung (1-x) Bi0.5Na0.5TiO3 – x BaTiO3 (BNTBT) von der kristallographischen Richtung untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Messungen des elektrischen und mechanischen Groß –und Kleinsignalverhaltens (Polarisation, Dehnung, Suszeptibilität, Piezokonstanten) unter elektrischen Feldern, mechanischer Spannung und verschiedenen Temperaturen. Die Untersuchung einkristalliner Proben ermöglicht so ein Verständnis des Gesamtsystems, das auch auf polykristalline Keramiken übertragbar ist.

• DFG Programme: Research Grants