Fermi Level Engineering angewendet auf oxid. Elektrokeramik

Unsere Gesellschaft steht bei der Erreichung von Klimaneutralität, dem Gesundheitsschutz und dem effizienten Umgang mit Ressourcen vor zahlreichen Herausforderungen. Neue Technologien erfordern leistungsstarke, nachhaltige und zuverlässige Materialien, die in der Energieumwandlung, Energiespeicherung und Elektronik eingesetzt werden können. Elektrokeramiken weisen eine Vielzahl funktioneller Eigenschaften auf, um diese Probleme zu lösen und werden daher zunehmend in neuen Technologien eingesetzt. Die Entwicklung dieser Materialien erfordert jedoch ein tiefes, grundlegendes Verständnis der physikalischen Prozesse. Dieses Wissen ermöglicht auch vorherzusagen, wie die Eigenschaften von der Zusammensetzung, Struktur und Herstellung abhängen. In diesem Projekt, das Teil des Sonderforschungsbereichs FLAIR (Fermi Level Engineering angewendet auf oxidische Elektrokeramiken) ist, wird ein neuer Ansatz für das Design von Piezokeramiken entwickelt. Diese Materialien ermöglichen die Umwandlung elektrischer Signale in mechanische Kräfte und umgekehrt, was sie in Sensorik, Aktorik und in der Energierückgewinnung unverzichtbar macht. Diese Technologien werden künftig wichtige Bestandteile in autonomen Fahrzeugen, der Energieumwandlung und der Medizintechnik werden. Bei unserem Ansatz wird das etablierte Designprinzip von Piezokeramiken mit einem tieferen Verständnis der elektronischen Struktur erweitert. Hierzu führen wir einen neuen Designparameter ein, nämlich die Fermi-Energie, die die Besetzung elektronischer Zustände durch Elektronen beschreibt. Dieser Ansatz wird als Fermi- Level-Engineering bezeichnet und wird häufig bei der Entwicklung anderer Materialien (z. B. Halbleiter) verwendet. Die Rolle des Fermi-Niveaus in der Piezokeramik ist jedoch unzureichend verstanden und wird daher nicht ausgenutzt. Neben dem Verständnis und der Vorhersage der funktionellen Eigenschaften des Materials, wird dieser Parameter auch zur Vorhersage der Phasenstabilität, zur Ableitung neuer Synthesewege und zu gezielter Einstellung der Mikrostruktur verwendet. Der neue Ansatz wird an zwei bleifreien piezokeramischen Systemen, nämlich (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 und Na1/2Bi1/2TiO3-BaTiO3, untersucht und entwickelt. Diese werden durch eine Reihe ausgewählter Dotierungselemente modifiziert, die das Fermi-Niveau gezielt verändern und damit die Eigenschaften und die Verarbeitung beeinflussen. Die induzierten Änderungen der globalen und lokalen Struktur, die resultierende Punktdefekte und die elektronischen Zustände werden mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie,elektrischer/elektromechanischer Messungen, Photoelektronenspektroskopie und verschiedenen Modellierungsansätzen untersucht (in Zusammenarbeit mit anderen Projekten des Sonderforschungsbereichs). Neben einem verbesserten Verständnis der funktionalen Elektrokeramik ist eins der Hauptziele auch die Erstellung eines Leitfadens für das Fermi-Niveau-Engineering von Piezokeramiken.