Auf Knopfdruck doppelt so viel Strom

Viele mikromechanische Aktoren und Sensoren beruhen auf piezoelektrischen Materialien, die elektrische Felder in Bewegung wandeln können und umgekehrt. Insbesondere die umgangssprachlich Ultraschall genannte Sonographie in der Medizin sowie das Unterwasser-Sonar benötigen leistungsfähige piezoelektrische Geräte, die Ultraschall erzeugen und mit hoher Präzision auch wieder nachweisen können. Viele der leistungsstärksten derartigen Geräte nutzen einen Perowskit-Kristall namens PMN-PT, wobei die Buchstaben für die Elemente Blei, Magnesium und Niob sowie Blei und Titan stehen, deren Verbindung jeweils als Oxid im Kristallgitter vorliegt. Ein internationales Forscherteam um Fei Li von der Jiaotong University in Xian, China, hat die Leistungsfähigkeit dieses Materials nun nochmals überraschend verbessert, indem sie es mit Samarium dotierten, einem Seltenerd-Metall.

Der piezoelektrische Koeffizient drückt die Stärke der Kopplung zwischen elektrischem Feld und mechanischer Kraft aus. Bei PMN-PT liegt er bereits sehr hoch und beträgt bis zu 2000 pC/N. Dabei sind diese Werte bereits das Ergebnis einer viele Jahre währenden Optimierung. Dem Forscherteam um Li gelang es nun, diesen Wert sogar auf etwa 4000 pC/N zu verdoppeln, wobei der piezoelektrische Koeffizient bei verschiedenen Proben eine gewisse Variation aufwies und zwischen 3400 und 4100 pC/N schwankte. Mit standardisierten Verfahren dürfte in Zukunft eine geringere Variation möglich sein. Die Wissenschaftler bewerkstelligten dies, indem sie nur etwa ein Samariumatom pro tausend Atome im Perowskit-Kristallgitter hinzufügten.

Die Ausrichtung der polaren Gebiete in einem piezoelektrischen Material geschieht durch Anlegen eines starken Feldes, nach dem sich die einzelnen ferroelektrischen Domänen im Material ausrichten. Der piezoelektrische Koeffizient ist ungefähr proportional zum Produkt der mittleren Polarisierung und der mittleren dielektrischen Permittivität. Undotiertes PMN-PT weist eine hohe dielektrische Permittivität auf von etwa dem 5000-Fachen der Vakuum-Permittivität. Die Leistungssteigerung des samariumdotierten Materials verdankt sich im Wesentlichen einer deutlich erhöhten dielektrischen Permittivität, die auf das 12.000-Fache des Vakuumwerts gestiegen war. Die mittlere Polarisierung hatte dabei leicht abgenommen.

Den überraschend starken Einfluss dieser leichten Dotierung untersuchten die Forscher mit verschiedenen Methoden, unter anderem mit HAADF-Rasterelektronenmikroskopie (High-angle annular dark-field imaging). Die untersuchte Probengröße entsprach etwa einem Kubus mit einer Seitenlänge von je zwanzig Elementarzellen, insgesamt also etwa 40.000 Atome. Darin waren nur etwa fünfzig Samariumatome enthalten. Sie hatten aber durchweg die Position von Bleiatomen im Kristallgitter eingenommen. Während das Kristallgitter also heterogener geworden war, wurden die piezoelektrischen Eigenschaften homogener.

Dennoch ist es den Wissenschaftler bislang nicht gelungen, den genauen Grund für diese Eigenschaften auf der Nanoskala zu ermitteln. Es könnte sowohl an polaren Nanoregionen liegen, die wie ein Rotationsellipsoid geformt sind, als auch an irregulär geformten Nanostrukturen, deren Polarisierung eine Zickzack-Struktur aufweist. Da das neue Material sich aber als Einkristall herstellen lässt, dürfte es nur eine Frage der Zeit sein, bis Röntgen- und Neutronenstreuexperimente Aufschluss über die atomare Struktur des samariumdotierten Piezoelektrikums geben. Zumindest scheinen die bisherigen Untersuchungen nahezulegen, dass die Domänengröße sich über eine knappe Handvoll Elementarzellen erstreckt – was ungefähr dem Abstand der Samariumatome im dotierten Kristall entspricht.

Interessant bei der Analyse ist nicht zuletzt, dass es vielleicht nicht nur der Einfluss des Samariums auf die Domänengröße ist, der zu einer so hohen Dielektrizitätskonstante geführt hat. Es könnte auch daran liegen, dass das Samarium die Rolle des Zufalls im Material erhöht und dadurch die piezoelektrischen Eigenschaften im Material homogenisiert hat. Das aber wirft wiederum die Frage auf, ob sich weitere Leistungssteigerungen bei derartigen Materialien dadurch erzielen lassen, dass man versucht, möglichst geordnete Piezoelektrika herzustellen.

Der neue Werkstoff ermöglicht den Herstellern elektromechanischer Geräte und Sensoren interessante Möglichkeiten. Zugleich bleibt offen, wo die Grenzen piezoelektrischer Materialien liegen. Ein solch hoher Sprung in der Leistungsfähigkeit, der sich durch die Substitution weniger Bleiatome im Kristallgitter erreichen lässt, lässt natürlich hoffen, auch bei anderen Perowskiten unerwartete Leistungssteigerungen zu erzielen. 

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Li et al.: Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystals, Science 364, 264 (2019); DOI: 10.1126/science.aaw2781
• School of Electronic and Information Engineering, Xian Jiaotong University, China

RK