Investigation of Ferroelectricity in Barium Titanate Relaxors by Piezoresponse Force Microscopy

Titel in Übersetzung: Untersuchung der Ferroelektrizität von Bariumtitanat-Relaxoren mit Piezoresponse Force Microscopy

Philipp Münzer

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Aufgrund seiner thermischen Stabilität, hohen Permittivität, sowie niedrigen Koerzitivität zählt substituiertes Bariumtitanat zu den vielversprechendsten bleifreien Relaxorferroelektrika auf Perovskitbasis. Es findet Anwendung in Aktoren, Sensoren und elektrischen Energiespeichern in der Mikroelektronik. Der Austausch des zentralen Ti[4+] Ions durch Fremdionen wie Zr[4+] (homovalent), Nb[5+] (heterovalent), oder simultanes Einbringen beider Spezies, stellt eine Möglichkeit dar um Relaxorferroelektrisches (kurz: Relaxor) Verhalten hervorzubringen. Homovalente Substitution erschwert die kollektive Verschiebung der O¿Ti¿O Ketten durch die Einbringung von zufallsverteilten elastischen Feldern, wohingegen in der heterovalenten Substitution diese Störung durch zufallsverteilte elektrischen Felder, eine Konsequenz von einem lokalen Ungleichgewicht elektrischer Ladungen, verursacht wird. Obwohl Relaxoren seit mehr als einem halben Jahrhundert untersucht werden, bleiben noch viele fundamentale Fragen über ihr einzigartiges Verhalten unter den Dielektrika offen. Unter Zuhilfenahme von Piezoresponse Force Microscopy (PFM), einer speziellen Methode eines Rasterkraftmikroskops, widmet sich diese Masterarbeit der umfassenden Untersuchung von homovalenten, heterovalenten, und simultan substituiertem polykristallinen Bariumtitanat sowie die Einflüsse der Substituenten auf die ferroelektrischen Eigenschaften. Single Frequency PFM ermöglicht die Abbildung der ferroelektrischen Domänenstruktur, über die man auf die Wirksamkeit der Substituenten bei der Störung weitrechender Korrelationen zwischen den Polarisationsvektoren im Material schließen kann. Zusätzlich kann die lokale Schaltbarkeit und langfristige Stabilität neugeformter Domänen im Material durch das Anlegen einer Spannung an der leitfähigen Spitze des Rasterkraftmikroskops festgestellt werden. Eine noch anspruchsvollere Methode, Switching Spectroscopy PFM, gewährt Einblick in die Dynamik der Polarisationsumkehrung in der Zone unterhalb der Spitze für den feldaktiven und feldfreien Fall. Zahlreiche Messungen dieser Art innerhalb eines definierten Temperaturintervalls, kombiniert mit einem halbautomatischen Algorithmus zur Korrektur, Selektion und Auswertung der generierten Daten, liefern Informationen über die lokale temperaturabhängige Dynamik der Polarisationsumkehrung in Ferroelektrika und Relaxoren. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigen, dass simultane Substitution am wirksamsten ist, gefolgt von der heterovalenten Nb[5+] Substitution und Zr[4+] Substitution als die am wenigsten wirksame Variante. Der Übergang von klassischem ferroelektrischen Verhalten zu Relaxorverhalten setzt im Intervall zwischen 20% und 30% homovalenter Zr Substitution ein. Im heterovalenten Fall genügt bereits eine Nb Konzentration zwischen 5% und 7% um dieselbe Wirkung zu erzielen. Wenn simultan substituiert wird, reicht bereits eine Konzentration von 2,5% Nb und 20% Zr aus, um die langreichweitige ferroelektrische Ordnung zu unterdrücken. Obwohl im generellen jene Systeme mit dem höchsten Grad an Substitution als völlig ungeordnete Relaxoren mit ergodischen polaren Nanodomänen angesehen werden können, ist es trotzdem noch möglich, Spuren von klassischem ferroelektrischen Verhalten in der Form von Hystereseschleifen in PFM zu messen. Des Weiteren beeinflussen Leerstellen zur Ladungsbilanzierung die PFM-Messungen wesentlich und können sogar zum irreversiblen Anschwellen des Materials beim Polen führen. Diese Masterarbeit belegt, dass PFM eine effektive Methode zur Feststellung der ferroelektrischen Eigenschaften in Relaxoren ist, vorausgesetzt dass sie mit komplementären Messmethoden, wie z.B. Raman/dielektrische Spektroskopie, Röntgendiffraktion oder elektrische Polarisations-Feld Schleifenmessungen, kombiniert wird.
Titel in ÜbersetzungUntersuchung der Ferroelektrizität von Bariumtitanat-Relaxoren mit Piezoresponse Force Microscopy
OriginalspracheEnglisch
QualifikationMSc
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Deluca, Marco, Mitbetreuer (intern)
  • Teichert, Christian, Betreuer (intern)
  • Kratzer, Markus, Mitbetreuer (intern)
Datum der Bewilligung20 Okt. 2023
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Piezoresponse Force Microscopy
  • Bariumtitanat
  • Relaxorferroelektrizität

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