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Defect chemistry and conductivity mechanisms in acceptor doped sodium-bismuth titanate (NBT)

Subject Area Synthesis and Properties of Functional Materials
Term from 2016 to 2020
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 281817830
 
Final Report Year 2021

Final Report Abstract

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.

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