Anisotropie in Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 Einkristallen: Elektromechanische Eigenschaften, Phasenstabilität und Phasenübergänge in Abhängigkeit des BaTiO3-Gehaltes

In der hier vorgestellten Arbeit wurden Bi1/2Na1/2TiO3-100xBaTiO3 (BNT-100xBT) Kristalle mit Zusammensetzungen im rhomboedrischen und tetragonalen Teil des Phasendiagramms sowie entlang der morphotropen Phasengrenze (MPG) untersucht (x = 0,036; 0,058; 0,063; 0,088). In der Literatur existieren bisher hauptsachlich Daten fur MPG Kristalle in -Richtung. Zum vollstandigen Verstandnis fur Polarisations- und Dehnungsmechanismen in Einkristallen muss jedoch das Verhalten in unterschiedlichen Schnittrichtungen untersucht werden. Um diese Lucke zu schliesen, wurden in dieser Arbeit BNT-100xBT Einkristalle in den pseudokubischen Schnittrichtungen , , und untersucht. Die Anisotropie der piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften wurde durch die Messung von Polarisations- und Dehnungshysteresen sowie von Permittivitat und piezoelektrischen Koeffizienten beleuchtet. Die Studie der Polungskurven offenbart einen feldinduzierten Ubergang von einem nicht-ergodisch-en Relaxor zu einem Ferroelektrikum mit langreichweitiger Wechselwirkung unterhalb der Ubergangstemperatur TF-R. Ungepolte BNT-100xBT Einkristalle zeigen noch Isotropie in der Permittivitat. Durch Polung werden in die unterschiedlichen Richtungen verschiedene Domanenstrukturen erzeugt, was sich in einsetzender Anisotropie der Permittivitat ausert. Obwohl die Permittivitat richtungsabhangig wird, sind die Ubergangstemperaturen TF-R im Rahmen der Messgenauigkeit, bis auf die Ausnahme der -Richtung in BNT-6,3BT, richtungsunabhangig. Wie auch in polykristallinen Keramiken wurden in einigen Proben von der Ubergangstemperatur TF-R abweichende Depolarisationstemperaturen Td beobachtet. Das Depolarisationsverhalten aller Proben ist sowohl von der Richtung als auch der Zusammensetzung abhangig. In BNT-3,6BT ist Td richtungsabhangig und ungleich TF-R. Wahrend in -Richtung ahnlich wie in polykristallinen BNT-100xBT Keramiken Td kleiner als TF-R ist, ist in -Richtung Td groser. Obwohl die langreichweitige Wechselwirkung schon zerfallen ist, bleibt die makroskopische Polarisation erhalten. Dies deutet darauf hin, dass BNT-3,6BT in -Richtung ein nicht-ergodischer Relaxor ist. In BNT-5,8BT und BNT-6,3BT sind Td sowie TF-R fur die einzelnen Proben annahernd identisch. Die Richtungsabhangigkeit von Td bei niedrigen BT-Gehalten lasst sich mit der unterschiedlichen Stabilitat der durch die Polung induzierten ferroelektrischen Domanenkonfigurationen erklaren. Es ist davon auszugehen, dass durch ein externes Feld eine komplizierte Domanenstruktur in einer bestimmten Richtung induziert, welche instabiler gegen Temperaturerhohung ist und daher bei bis zu 30 °C niedrigeren Temperaturen zerfallt als die Domanenstrukturen in die anderen beiden Richtungen. Je energetisch gunstiger und somit stabiler ein Zustand ist, umso groser ist die Zerfallstemperatur. Nahe der MPG wurden mehrstufige Depolarisationsprozesse beobachtet, welche durch den MPG-Charakter verursacht werden. Es ist moglich, sowohl tetragonale als auch rhomboedrische Strukturelemente zu induzieren, welche verschieden stabil sind und somit bei unterschiedlichen Temperaturen in PNR zerfallen. Die Ergebnisse der ferro- und piezoelektrischen Grossignalmessungen bei Raumtemperatur geben keinen Hinweis auf, in bleihaltigen Systemen beobachtete, Polarisationsrotation als Mechanismus fur hohe reversible Dehnungen. Irreversible Polarisationsrotation kann vor allem im Polungszyklus in -Richtung in BNT-5,8BT nicht ausgeschlossen werden. Die Resultate lassen sich unter der Annahme erklaren, dass BNT-3,6BT rhomboedrisch ist, BNT-5,8BT aus rhomboedrischen wie tetragonalen Phasenanteilen besteht und BNT-8,8BT primar tetragonal ist, auch wenn unter Feld rhomboedrische Phasenanteile induziert werden konnen. Weiterhin wurde in dieser Arbeit das Umschaltverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Der Schaltprozess ist fur verschiedene Zusammensetzungen von unterschiedlicher Natur. Wahrend in rhomboedrischen Systemen die Polarisationsumkehr bei hohen Temperaturen uber PNR Zwischenzustande stattfindet, werden in der Nahe der MPG unterschiedliche rhomboedrische und tetragonale Phasen erzeugt. Ungewohnlich hohe Dehnungen konnten in den Zusammensetzungen nahe der MPG entlang den -Richtungen gemessen werden, wenn sich die Temperatur der Depolarisationstemperatur naherte. In BNT-5,8BT wurde z.B. eine Dehnung von 0,72 % bei einem Feld von nur 3 kV/mm gemessen. Dies entspricht einem d*33 von 2400 pm/V. Diese hohe Dehnung lasst sich jedoch nicht durch Polarisationsrotation erklaren, sondern durch eine Kombination aus Polarisationsextension und Ubergang zwischen polarer ferroelektrischer Phase und unpolarer Relaxorphase.