16.01.2020

Piezoelektrikum mit Durchblick

Transparenter ferroelektrischer Kristall zeigt überraschend starke Piezoelektrizität.

Piezoelektrische Materialien bilden die Grund­lage einer Viel­falt von Sensoren und Aktuatoren. Aller­dings haben sie mit einer wichtigen Beschränkung zu kämpfen: Die leistungs­fähigsten Piezo­elektrika sind nicht trans­parent oder streuen Licht sehr stark, während die licht­durch­lässigen Piezo­elektrika keine allzu guten Kenn­zahlen auf­weisen. Das schränkt die Anwend­bar­keit in opto­elektro­mecha­nischen Geräten letzt­lich stark ein. Schon lange versuchen deshalb Fest­körper­physiker und Material­forscher, neuartige Piezo­elektrika zu entwickeln, die diese Beschrän­kungen umgehen.

Abb.: Die durch Wechselstrom gepolten piezoelektrischen Kristalle (links)...
Abb.: Die durch Wechselstrom gepolten piezoelektrischen Kristalle (links) erscheinen völlig transparent. (Bild: C. Qiu et al. / Springer Nature)

Das wäre für eine ganze Reihe möglicher Anwen­dungen interessant. So verspricht man sich von solchen Materi­alien nicht nur neu­artige Touch­screens und ähn­liche Anwen­dungen für den Elektronik­markt, sondern sie könnten sich auch für piezo­elektrische Licht­leiter oder in photo­akus­tischen Abbildungs­verfahren einsetzen lassen. Ein Forscher­team aus China, den USA und Australien um Fei Li von der Univer­sität Xi‘an Jiaotong hat nun eine sehr interes­sante Methode vorge­stellt, mit der sich trans­parente Hoch­leistungs­piezo­elektrika erzeugen lassen. Verblüf­fender Weise nutzten sie dazu ein Verfahren, das sich von bislang genutzten diametral unter­scheidet.

Die meisten leistungs­starken Piezo­elektrika sind Ferro­elektrika. Diese Substanzen weisen spontan elektrisch polari­sierte Bereiche auf, die an Domänen­grenzen anein­ander­stoßen. Um aus diesem Material ein Piezo­elektrikum zu erzeugen, müssen zunächst die ungünstig ausge­richteten Domänen in eine andere Orien­tie­rung gebracht werden, so dass der Gesamt­kristall eine makro­skopische Polari­sie­rung aufweist. Bei dieser Umpolung können die Domänen abhängig vom Kristall­gitter bestimmte Winkel zuein­ander ein­nehmen.

Nun besteht das Hauptproblem bei der mangel­haften Licht­durch­lässig­keit von ferro­elektrischen Piezo­elektrika darin, dass Licht­strahlen beim Durch­gang durch das Material an Domänen­grenzen gestreut werden können, wobei die Streu­rate nicht zuletzt von den Winkeln zwischen den Domänen abhängt. Über Jahr­zehnte haben Forscher versucht, die Licht­streuung durch Verkleinern der Domänen zu verringern. Die Idee dahinter besteht darin, möglichst kleine Domänen weit unter­halb der Wellen­länge von sicht­barem Licht zu erzeugen, so dass diese nur wenige bis wenige Dutzend Nano­meter großen Bereiche für die Photonen möglichst durch­lässig werden. Jedoch hat diese Heran­gehens­weise den Nach­teil, dass die verblei­bende Polar­isie­rung sich deut­lich verringert, so dass auch der piezo­elektrische Koeffi­zient deutlich absinkt. Auf diese Weise lassen sich deshalb trotz jahre­langer Optimie­rungs­versuche keine Hoch­leistungs­piezo­elektrika fabri­zieren.

Das Forscherteam um Fei Li hat deshalb einen neuen Weg gewählt. Der Trick bestand darin, die Domänen nicht zu verkleinern, sondern auf möglichst geschickte Weise zu größeren verschmelzen zu lassen. Damit verfolgten die Wissen­schaftler zwei Zwecke. Erstens wollten sie die Gesamt­zahl an möglichen Domänen­grenzen, an denen Streuung auftritt, verringern. Und zweitens wollten sie nach Möglich­keit solche Domänen­grenzen erzeugen, deren Winkel eine möglichst geringe Streu­rate aufweist.

Allerdings lässt sich das über die herkömm­liche Polung von ferro­elek­trischen Kristallen durch Gleich­strom nicht bewerk­stelligen. Die Forscher entwickelten deshalb anhand zahl­reicher Computer­simula­tionen ein spezielles Wechsel­strom-Polungs­schema, das sie anschlie­ßend auch praktisch in die Tat umsetzen konnten. Solche Wechsel­strom-Polungs­schemata werden erst seit einigen Jahren genauer erforscht. Als Material wählten die Wissen­schaftler Blei­magnesium­niobat-Blei­titanat, kurz PMT-PT, ein Hoch­leistungs­piezo­elektrikum, das einen piezo­elek­trischen Koeffi­zienten von mehr als 1500 Piko­coulomb pro Newton aufweist. Das ist etwa zehn­fach höher als die meisten anderen Ferro­elektrika und macht dieses Material besonders interes­sant für mögliche opto­elektro­mechanische Anwen­dungen.

Das rhomboedrische PMT-PT kann mehrere verschiedene Arten ferro­elek­trischer Domänen aus­bilden, wobei die Winkel zuein­ander 71 Grad, 109 Grad oder 180 Grad betragen können. Während die Domänen­grenzen, deren Winkel mit 109 Grad zuein­ander­steht, kaum für Licht­streuung verant­wort­lich sind, sorgen die­jenigen mit 71 Grad für eine so starke Streuung, dass das Material weit­gehend intrans­parent ist.

Den Wechselstrom-Polungs­prozess führten die Forscher mit Dreiecks­wellen einer Amplitude von bis zu fünf Kilovolt pro Zenti­meter und Frequenzen von 0,1 bis 100 Hertz durch. Dadurch gelang es, die 71-Grad-Domänen­grenzen so gut aus dem Material zu entfernen, dass fast nur noch Grenzen mit 109 Grad vor­handen waren. Das konnten die Forscher mit Hilfe verschie­dener Unter­suchungen wie Röntgen­streuung, Polari­sations­messungen und doppel­brechenden spektro­skopischen Methoden nach­weisen.

Wie gewünscht zeigte der fertige Kristall nicht nur den erwarteten hohen piezo­elek­trischen Koeffi­zienten, sondern war auch hoch­gradig licht­durch­lässig. Wenn diese Methode auch bei anderen Materi­alien ähnlich gut funktio­niert – für allem bei solchen, die noch höhere Tempera­turen vertragen als PMT-PT –, dann könnte sich damit ein Weg zu ganz neuen opto­elektro­mecha­nischen Anwen­dungen öffnen.

Dirk Eidemüller

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