Zeitabhängige Untersuchung der bleifreien Piezokeramik (1-x)Bi$_{0,5}$Na$_{0,5}$TiO$_{3}$-xBaTiO$_{3}$ mit in situ Röntgenbeugung
Creators: name: Lee, Kai-Yang
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022

description: Die Mischkristallverbindung Bismut-Natrium-Titanat-Barium-Titanat ((1-x)Bi$_{0,5}$Na$_{0,5}$TiO$_{3}$-xBaTiO$_{3}$, (1-x)BNT-xBT) ist ein vielversprechendes bleifreies Alternativmaterial für vielfältige piezoelektrische Anwendungen. In dieser Arbeit wird BNT-BT mit einem BT-reichen Zusammensetzungsanteil von x = 0,12 (BNT-12BT) mithilfe von in situ Synchrotron Röntgenpulverdiffraktometrie untersucht. Der Relaxorzustand (R) dieser Verbindung wird durch einen nichtstöchiometrischen Bismut-Überschuss erweitert und kann unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes vollständig reversibel in eine Koexistenz einer Relaxorphase mit einer ferroelektrischen (FE) Phase umgewandelt werden. Der ergodische Relaxorzustsand besteht aus einer pseudo-kubischen Phase mit leichten rhomboedrischen Verzerrungen der Elementarzelle, während der ferroelektrische Zustand aus einer tetragonalen Phase zusammengesetzt ist. Die Reversibilität der R-FE Phasenumwandlung bleibt auch nach mindestens 10$^{4}$ Feldzyklen bestehen. Die Beugungsexperimente werden mit einer speziell angefertigten Probenumgebung sowie zwei verschiedenen Detektoren durchgeführt, wobei die Datenaufnahme mit unterschiedlichen Messmethoden u. a. der Stroboskopie durchgeführt wird. Diese experimentellen Aufbauten ermöglichen Messungen in einem großen Frequenzbereich von 10$^{-4}$-10$^{2}$ Hz. Mit Erhöhung der Frequenz wird in BNT-12BT die feldinduzierte Bildung des FE Zustandes zugunsten des R Zustandes zunehmend erschwert. Dabei spielt neben kinetischen Effekten auch der experimentelle Aufbau der freistehenden Probe eine Rolle, da höhere Frequenzen die Entstehung einer Eigenwärme bewirken, die nicht abgeführt wird und somit den Aufbau einer FE Fernordnung erschwert. Die feldabhängige Entwicklung der Kristallstruktur wird mithilfe einer umfassenden Dehnungs- und Texturanalyse durchgeführt, die auf strukturellen Daten in atomarer Größenordnung basiert. Die Methode der Rietveldverfeinerung wird angewandt, um separat die beiden koexistierenden Phasen und deren unterschiedliche Dehnungsmechanismen zu bestimmen und zu quantifizieren. Es wird für alle Frequenzen gezeigt, dass in der tetragonalen Phase ausschließlich Domänenschalten stattfindet und die rhomboedrische Phase nur durch Gitterdehnung zur Gesamtdehnung beiträgt. Im Gegensatz zu bleihaltigen Verbindungen unterscheidet sich das feldabhängige Dehnungsverhalten beider Phasen deutlich. Zum einen besitzt die Dehnungskurve der tetragonalen Phase ein höheres Koerzitivfeld als das der rhomboedrischen Phase. Zum anderen tritt das Domänenschalten erst nach einem Schwellwert der Feldstärke auf, während die Gitterdehnung linear mit Beginn des Feldzyklus zunimmt. Außerdem verursacht das Domänenschalten im Vergleich zur Gitterdehnung eine höhere Dehnungshysterese nach Umkehrung des Feldes. Die berechneten Ergebnisse der strukturellen Herangehensweise erlauben eine Rekonstruktion der makroskopisch gemessenen Dehnungskurven. Somit wird verdeutlicht, dass eine gewöhnliche Dehnungskurve in Wirklichkeit aus komplexen unterschiedlichen strukturellen Mechanismen zusammengesetzt ist.