Defektchemie und Leitfähigkeitsmechanismen in akzeptordotiertem Natrium-Bismuth-Titanat (NBT)

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe; Dr. Till Frömling; Professor Wolfgang Unger, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281817830

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Untersuchungen der Defektchemie von NBT ergaben, dass die ionische Leitfähigkeit nichtlinear abhängig von der Sauerstoffleerstellenkonzentration ist. Während bei niedriger Konzentration das Material intrinsisch elektronisch leitend ist und einen hohen Widerstand hat, ist die Sauerstoffionenleitfähigkeit bei hoher Leerstellenkonzentration im Bereich von den besten bekannten keramischen Sauerstoffmembranen. Dies konnte ebenfalls duch quantenmechansische und molekulardynamische Rechnungen gestützt werden. Des Weiteren wurde eine Abhängigkeit der Sauerstoffleitfähigkeit und der ferroelektrischen Eigenschaften von der vorherrschenden Koexistenz verschiedener Kristallstrukturen gezeigt. Auf Grundlage der Erkenntnisse dieses Projekts ist es somit möglich, die entsprechenden Eigenschaften von NBT wie gewünscht zu modifizieren. Das gleiche gilt auch für feste Lösungen von NBT mit weiteren Perovskiten, wie z.B. BaTiO3 , die technisch relevanter sind. Die Defektmechanismen sind weitgehend gleich in NBT-basierten Keramiken, auch wenn die Nichtlinearität in Bezug auf Akzeptordotierung unterschiedlich ausgeprägt sein kann. Ein solches Verhalten ist bis jetzt unter den bekannten Perovskiten einzigartig und hat natürlichen einen großen Einfluss auf geplante Anwendungen. In Bezug auf Ferroelektrika bedeutet das, dass Akzeptordotierung zu verstärkter elektrischer Degradation führen kann. Das gilt besonders für Anwendungen mit unipolarer elektrischer Belastung. Das Verhalten erklärt auch indirekt, warum der Einfluss der Akzeptordotierung auf ferroelektrische Eigenschaften von NBT-Keramiken nicht mit bleihaltigen Keramiken vergleichbar ist. Ansonsten hat sich herausgestellt, dass NBT sich als mögliches Material für keramische Sauerstoffmembranen anbietet. Die Hochfeldeigenschaften von akzeptordotiertem NBT kann zudem interssant sein für den Forschungsbereich sein, der sich mit der Erforschung von schaltbaren Widerständen zur Datenspeicherung beschäftigt. Es bestehen also vielversprechende Anknüpfungspunkte an diese Forschung. Desweiteren hatten die Erkenntnisse besonderen Einfluss auf die Entwicklung von Hochtemperaturkondensatoren auf NBT-Basis, bei denen der dielektrische Verlust extrem gesenkt werden konnte. Ebenfalls haben die Resultate die Notwendigkeit aufgezeigt, die Defektchemie von neuen bleifreien Piezokeramiken zu verstehen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Ionic conductivity of acceptor doped sodium bismuth titanate: Influence of dopants, phase transitions and defect associates, Journal of Materials Chemistry C 5 (35) (2017) 8958–8965
  L. Koch, S. Steiner, K.-C. Meyer, I.-T. Seo, K. Albe, T. Frömling
  
• The effect of a-site non-stoichiometry on 0.94(Nay Bix )TiO3 -0.06BaTiO3 , Journal of the European Ceramic Society 37 (4) (2017) 1429–1436
  I.-T. Seo, S. Steiner, T. Frömling
  
• Designing properties of (Na1/2 Bix )TiO3 -based materials through A-site non-stoichiometry, Journal of Materials Chemistry C 6 (4) (2018) 738–744
  T. Frömling, S. Steiner, A. Ayrikyan, D. Bremecker, M. Duerrschnabel, L. Molina-Luna, H.-J. Kleebe, H. Hutter, K. G. Webber, M. Acosta
  
• Optimizing the defect chemistry of Na1/2 Bi1/2 TiO3 -based materials: Paving the way for excellent high temperature capacitors, Journal of Materials Chemistry C 6 (17) (2018) 4769–4776
  M. Höfling, S. Steiner, A.-P. Hoang, I.-T. Seo, T. Frömling
  
• Phase transformations in the relaxor Na1/2 Bi1/2 TiO3 studied by means of density functional theory calculations, Journal of the American Ceramic Society 101 (1) (2018) 472–482
  K.-C. Meyer, L. Koch, K. Albe
  
• Structural mechanism behind piezoelectric enhancement in off-stoichiometric Na0.5 Bi0.5 TiO3 based lead-free piezoceramics, Acta Materialia 164 (2019) 761–775
  A. Mishra, D. K. Khatua, A. De, B. Majumdar, T. Frömling, R. Ranjan
  
• The effect of Fe-acceptor doping on the electrical properties of Na1/2 Bi1/2 TiO3 and 0.94 (Na1/2 Bi1/2 TiO3 -0.06 BaTiO3 , Journal of the American Ceramic Society 102 (9) (2019) 5295–5304
  S. Steiner, I.-T. Seo, P. Ren, M. Li, D. J. Keeble, T. Frömling
  
• The fate of aluminium in (Na,Bi)TiO3 -based ionic conductors, Journal of Materials Chemistry A 8 (35) (2020) 18188–18197
  P. B. Groszewicz, L. Koch, S. Steiner, A. Ayrikyan, K. G. Webber, T. Frömling, K. Albe, G. Buntkowsky
  
• High field electroformation of sodium bismuth titanate and its solid solutions with barium titanate, Journal of Materials Chemistry C 9 (2021) 3334–3342
  P. Ren, M. Gehringer, B. Huang, A.-P. Hoang, S. Steiner, A. Klein, T. Frömling
  
• Influence of oxygen vacancies on core-shell formation in solid solutions of (Na,Bi)TiO3 and SrTiO3 , Journal of the American Ceramic Society (Apr. 2021)
  S. Steiner, J. Heldt, O. Sobol, W. Unger, T. Frömling