19.03.2018

Superpiezoeffekt durch Unordnung

Ferroelektrische Keramik zeigt nach Samarium-Dotierung riesigen Piezo-Koeffizienten.

Forscher um Fei Li von der Pennsylvania State University haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie poly­kristallinen keramischen Ferro­elektrika ungewöhnlich stark ausgeprägte piezo­elektrische Eigenschaften verleihen können. Der Trick besteht darin, durch Dotierung mit Samarium­atomen Unordnung in die tetra­gonalen ferro­elektrischen Domänen zu bringen.

Abb.: Die Keramik besteht aus tetragonalen ferro­elektrischen Domänen (gelb), in die polare Nan­oregionen (türkis) eingeschlossen sind. Durch Veränderung der Oberflächen­energie der Regionen, kann der freien Energie des Materials ein „flaches“ Energie­minimum gegeben werden, was zu einem riesigen Piezo-Koeffizienten führt. (Bild: F. Li et al.)

Ferroelektrische Materialien wie das Perowskit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) haben unterhalb der Curie-Temperatur eine elektrische Polarisation, die von entgegengesetzt geladenen Atomen herrührt, deren jeweilige Ladungs­schwer­punkte im Kristall nicht über­einstimmen. Ein äußeres elektrisches Feld kann die Atome so verschieben, dass sich die Polarisation umdreht. Unter Druck gesetzt, verändert ein Ferro­elektrikum seine Polarisation, da sich die elektrisch geladenen Atome gegen­einander verschieben. Dieser piezo­elektrische Effekt hat als Gegen­stück die Elektro­striktion, bei der ein äußeres elektrisches Feld das Material deformiert.

Die polykristallinen piezo­elektrischen Keramiken wie PZT haben vielfältige Anwendungen etwa für Sensoren, Signal­wandler oder Stell­glieder. So findet man sie in elektrischen Zahn­bürsten, in Ultraschall­geräten oder in Raster­kraft­mikroskopen. Trotz ihrer weiten Verbreitung sind ihre piezo­elektrischen Eigenschaften jedoch längst nicht optimal, wie ein Vergleich mit den ihnen überlegenen domänen­veränderten ferro­elektrischen Ein­kristallen zeigt, die allerdings auch wesentlich teurer sind.

Durch gezielte Veränderung der Zusammen­setzung und Kristall­struktur der poly­kristallinen ferro­elektrischen Keramiken versucht man seit Längerem, deren piezo­elektrische Eigenschaften zu verbessern. Insbesondere will man einen deutlich größeren piezo­elektrischen Koeffizienten d33 erzielen, der die Verzerrung der tetra­gonalen Kristall­struktur in ihrer Längs­richtung misst, wenn ein dazu paralleles elektrisches Feld angelegt wird. Kommerzielle PZT-Keramiken erreichen Werte von 650 pC/N, während der bisherige Rekord bei 970 pC/N liegt und von einer PHT-PNN-Keramik aus Pb, Hf, Ti, Ni und Nb gehalten wird.

Abb.: Die Mikrostruktur der Keramik unter dem Elektronen­mikroskop, wobei die tetra­gonale Kristall­struktur und eine polare Nano­region sichtbar sind. Die Pfeile geben die Polarisations­richtungen an. (Bild: F. Li et al.)

Hier kommen nun Fei Li und seine Kollegen ins Spiel. Sie gehen von der bekannten Beobachtung aus, dass ein ferro­elektrisches Material im Zustand minimaler freier Energie besonders stark piezo­elektrisch reagiert, wenn die Variation seiner elektrischen Polarisation praktisch keine zusätzliche Energie kostet. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn sich ein Ferro­elektrikum, dessen chemische Zusammen­setzung man schritt­weise modifiziert, einer morpho­tropischen Phasen­grenze nähert, an der sich seine Kristall­struktur ändert.

Doch die Möglichkeit, den piezo­elektrischen Koeffizienten mit Hilfe morpho­tropischer Phasen­grenzen zu erhöhen, scheinen inzwischen ausgeschöpft zu sein. Statt dessen haben die Forscher um Fei Li die ferro­elektrische Keramik Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) gezielt mit Samarium­atomen dotiert. Dieses heterogene Ausgangs­material besteht aus tetra­gonalen ferro­elektrischen Domänen, in die polare Nano­regionen eingeschlossen sind. Die Oberflächen­energie dieser Regionen trägt zur Gesamt­energie des Materials bei und lässt sich durch die Unordnung, die die Samarium­atomen verursachen, verändern.

Auf diese Weise gelang es den Forschern, die polarisations­abhängige freie Energie des Materials am Energie­minimum extrem „flach“ zu machen, sodass dort die Energie kaum von der Polarisation abhing. Das wiederum hatte sehr große Werte für den piezo­elektrischen Koeffizienten zur Folge. Der Rekordwert lag bei 1510 pC/N und wurde von der Keramik 2,5Sm-PMN–29PT erreicht, die zu 2,5 Molprozent Sm-dotiert war und einen PT-Gehalt von 29 Prozent hatte. Darüber hinaus wies dieses Material auch eine riesige relative dielektrische Permittivität ε330 von 13.000 auf. Beide Material­konstanten lagen um ein Mehr­faches über den Werten, die man bisher mit poly­kristallinen Ferro­elektrika erreicht hatte.

Die Forscher sind zuversichtlich, dass man mit ihrem Verfahren auch bei anderen ferro­elektrischen Keramiken die piezo­elektrischen Eigenschaften deutlich verbessern kann. Damit ließen sich zum Beispiel kleinere und leistungs­fähigere Piezo­elemente realisieren. Durch gezieltes Hinzufügen von atomarer Unordnung könnte man auch die funktionellen Eigenschaften multi­ferroischer Materialien maß­schneidern wie etwa ferro­magnetischer, ferro­elastischer oder ferroischer Komposite.

Rainer Scharf

DE

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