Züchtung und Charakterisierung von Lithiumniobat-Tantalat-Mischkristallen (Li(Nb,Ta)O3) für Sensor- und Aktuatoranwendungen bei hohen Temperaturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Fritze
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409656768

Piezoelektrische Sensoren erlangen eine zunehmende Bedeutung, da sie bei der In-situ-Überwachung von Prozessen mehrere Parameter erfassen zu können. Gleichzeitig besteht ein hoher Bedarf an empfindlichen, robusten und kostengünstigen Sensoren für Gaszusammensetzung, Temperatur und Druck bei Temperaturen bis 1000°C. Darüber hinaus werden piezoelektrische Aktuatoren für die Energiewandlung, Luftfahrt und andere ökonomisch bedeutende Anwendungen wie Einspritzdüsen und Komponenten in Turbinen oder Solarkonzentratoren benötigt. In jedem Fall sind sowohl eine hervorragende thermische Stabilität als auch hohe piezoelektrische Koeffizienten zu fordern.Die Anwendungstemperatur herkömmlicher piezoelektrischer Materialien ist jedoch begrenzt. Entsprechende polykristalline Keramiken zeigen thermische Instabilitäten oberhalb von etwa 200°C. Trotz der guten Stabilität von Quarz-Isomorphen wie Langasit (La3Ga5SiO14) sind diese Kristalle nicht für Aktuatoranwendungen geeignet, da sie kleine piezoelektrische Koeffizienten aufweisen.Demgegenüber besitzen Lithiumniobat (LiNbO3) und Lithiumtantalat (LiTaO3) auf Grund ihrer großen piezoelektrischen Koeffizienten ein weit reichendes Potential für Hochtemperatur-Sensoren und -Aktuatoren. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind jedoch durch die eingeschränkte thermische Stabilität von LiNbO3 bzw. die niedrige Curie-Temperatur von LiTaO3 eingeschränkt. Li(Nb,Ta)O3-Mischkristalle weisen die o. g. Nachteile der beiden Einzelverbindungen voraussichtlich nicht auf. Unsere Vorarbeiten erlauben diese Hypothese.Das gemeinsame Forschungsziel der Projektpartner besteht in der Entwicklung hochtemperaturstabiler Li(Nb,Ta)O3-Mischkristalle für Sensor- und Aktuatoranwendungen. Die Züchtung der Mischkristalle, ihre chemische und strukturelle Charakterisierung inklusive Untersuchung von Nb/Ta-Verhältnis, Kristallqualität, Versetzungen und Volumendefekten werden vom russischen Partner übernommen. Hinzu kommt die Analyse akustischer Wellenfelder, die Aussagen zum Einfluss des Nb/Ta-Verhältnisses auf die Wellenausbreitung liefert. Der deutsche Partner konzentriert sich auf die Hochtemperatureigenschaften und bestimmt die elektrischen und elektromechanischen Eigenschaften, den atomaren Transport und entwickelt ein defektchemisches Modell. Die Analyse der Transportkinetik erfolgt mit Hilfe der stabilen Tracerisotope 18O und 6Li, die zusammen mit Daten zu den elektromechanischen Verlusten eine Bewertung der Hochtemperaturstabilität der Mischkristalle erlauben. Darüber hinaus sollen ausgewählte Materialkonstanten von beiden Partnern mit verschiedenen Methoden gemessen werden, so dass diese Redundanz zur Validierung der Ergebnisse führt. Die Arbeiten beider Partner sind eng verknüpft und sollen frühzeitig zu möglichst stabilen Li(Nb,Ta)O3-Kristallen führen, so dass bereits in der Mitte der ersten Projektphase Rückinformationen für die Züchtung verbesserter Kristalle mit einem optimalen einem Nb/Ta-Verhältnis geliefert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Professor Dr. Dmitry Roshchupkin