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Projekt
Kristallzüchtung und grundlegende Eigenschaften von Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Mischkristallen
Antragsteller
Dr. Steffen Ganschow
Fachliche Zuordnung
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung
Förderung seit 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426703838
Der vorliegende Antrag beschreibt ein Teilprojekt zur Fortsetzung der Forschungsgruppe 5044 „Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden“. Schwerpunkt dieses Teilprojekts bilden Untersuchungen zur Züchtung von Lithiumniobat-Lithiumtantalat (LNT)-Einkristallen aus der Schmelze. In der ersten Förderperiode wurde das Phasendiagramm des Systems LiNbO3—LiTaO3 (LN—LT) thermoanalytisch untersucht und ein thermodynamisch konsistentes Phasendiagramm erstellt. Die Untersuchungen waren aber auf Mischungen der kongruent schmelzenden Zusammensetzungen der Endglieder LN und LT beschränkt. In der zweiten Förderperiode liegt der Fokus auf der gezielten Manipulation der Defektlandschaft der Mischkristalle. Dazu werden zwei Ansätze verfolgt: (1) Variation des Lithiumgehalts der Kristalle durch Züchtung (a) aus Schmelzen mit Lithiumüberschuss und (b) aus Schmelzlösungen unter Einsatz von K2O als Lösungsmittel. In beiden Fällen (a) und (b) sind die relevanten Phasendiagramme bislang nicht bekannt und müssen im Rahmen einer grundlegenden Untersuchung (Thermische Analyse, Kristallisationsexperimente, röntgendiffraktometrische Analyse) bestimmt werden. (2) Dotierung der Mischkristalle mit Mg. Aus zahlreichen Untersuchungen an LN ist bekannt, dass Mg-Ionen auf den Li-Platz eingebaut werden und somit insbesondere die Anzahl der Nb-Ionen auf Li-Plätzen („Antisite“) reduzieren. In Kristallzüchtungsversuchen wird der Zusammenhang zwischen Mischkristallzusammensetzung und dem Einbau von Mg in LNT untersucht. Die Zusammensetzung der Kristalle und die Verteilung der Komponenten werden mittels optischer Emissionsspektrometrie (ICP OES) und Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) bestimmt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der gezielten Erzeugung periodischer Strukturen in den Mischkristallen. Methodisch werden diese durch periodische Schwankungen der Wachstumsgeschwindigkeit durch Verschiebung der Kristallrotationsachse gegenüber der thermischen Achse („Off-centered Czochralski“) erzeugt. Dadurch unterliegt der effektive Verteilungskoeffizient von Komponenten (Nb, Ta) und Dotanten (z.B. Y) periodischen Schwankungen, und im Kristall bildet sich ein Streifenmuster („Striations“) aus, an dem sich zum Beispiel ferroelektrische Domänen ausrichten können. Alternativ wird untersucht, in welchen Grenzen sich durch ein zwischen Kristall und Schmelze angelegtes elektrisches Feld die Diffusionsgrenzschicht vor Wachstumsfront manipulieren lässt. Es wird erwartet, dass neben der Diffusion auch Elektromigration zum Transport von Spezies in der Grenzschicht beiträgt und somit ein angelegtes Wechselfeld ebenfalls zur Ausbildung von Streifungen führt. Der erwartete geringe Abstand der Streifen von maximal wenigen Mikrometern kommt als Analysemethode zusätzlich Rasterelektronenmikroskopie um Einsatz.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
