Relaxor-Verhalten in Ba-basierten bleifreien Perowskiten

Die meisten Materialien, die derzeit für dielektrische Anwendungen, Festkörperkühlung und Aktuatoren verwendet werden, enthalten ein giftiges Element: Blei. Aus diesem Grund suchen Forscher auf der ganzen Welt intensiv nach bleifreien Alternativen, die gleich gute Eigenschaften wie die bleihaltigen Materialien aufweisen. Der Schlüssel dabei ist es, eine Möglichkeit zur Einstellung der chemischen Zusammensetzung zu finden, sodass man die gewünschten makroskopischen Eigenschaften erhält. Barium-basierte Relaxoren sind eine Klasse von hoch ungeordneten Materialien mit dem Potential, bleihaltige Materialien in vielen der oben genannten Anwendungen zu ersetzen. Allerdings ist es bisher nicht klar, wie die lokale Struktur durch Dotierung so beeinflusst werden kann, dass die Eigenschaften der Relaxoren die im Wesentlichen elektrischer Natur sind kontrolliert werden können. Ziel unseres Projektes ist es, den Ursprung des außergewöhnlichen dielektrischen und piezoelektrischen Verhaltens von Relaxoren durch einen integrierten Zugang zu erklären, der Experiment und Computerberechnungen eng verknüpft. Wir werden Raman-Spektroskopie verwenden, eine Technik, um Gitterschwingungen in Materialien zu messen. Nachdem Gitterschwingungen von der lokalen Struktur eines Materials beeinflusst werden, enthalten Raman-Messungen Informationen zu statischer chemischer Anordnung oder dynamischen elektrischen Dipolen, welche die Basis für das Relaxorverhalten sind. Um Informationen über die Struktur aus Raman-Spektren gewinnen zu können, werden wir eine einzigartige Vorgehensweise wählen: Wir werden die Spektren ausgehend von physikalischen Grundgleichungen durch atomistische Modellierung am Computer berechnen. Anders gesagt werden wir für jede untersuchte Zusammensetzung verschiedene mögliche Strukturen konstruieren und deren Raman-Spektren berechnen. Aus dem Vergleich der berechneten und gemessenen Spektren lässt sich bestimmen, welche Struktur sich im Material durch die Dotierung einstellt. Darüber hinaus werden wir für das gleiche Material die makroskopische dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften messen und wir werden dadurch in der Lage sein herauszufinden, welche Struktur durch Dotierung herbeigeführt werdenmuss,umdie gewünschten Materialeigenschaften in der Anwendung zu erzielen. Unsere Untersuchungen werden bei verschiedenen Temperaturen, aber auch bei elektrischen Feldern verschiedener Stärke und Frequenz durchgeführt werden, wodurch wir realistische Einsatzbedingungen nachahmen. Kurz gesagt: Wir werden herausfinden, wie man das beste Material für eine gewünschte Anwendung herstellen kann. Der Ansatz, den wir verfolgen werden, ist völlig neu in der wissenschaftlichen Community und wird konkrete Antworten für relevante Industriepartner weltweit liefern, deren Bedarf es ist, ein Werkzeug zur gezielten Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften zu finden. Zusätzlich wird es die Popularität von umweltfreundlichen Materialien für verschiedene fortschrittliche Anwendungen steigern, indem es einen Einblick in die Mechanismen verschafft, die die atomare Struktur mit dem makroskopischen Verhalten der Materialien verknüpfen.

Die meisten Materialien, die derzeit für dielektrische Anwendungen, Festkörperkühlung und Aktuatoren verwendet werden, enthalten ein giftiges Element: Blei. Aus diesem Grund suchen Forscher auf der ganzen Welt intensiv nach bleifreien Alternativen, die gleich gute Eigenschaften wie die bleihaltigen Materialien aufweisen. Der Schlüssel dabei ist es, diejenige chemische Zusammensetzung zu finden, die zu den gewünschten makroskopischen Eigenschaften führt. Eine wichtige Klasse von Materialien bilden in diesem Zusammenhang die sogenannten Relaxoren. Barium-basierte Relaxoren sind auf atomarer Ebene hochgradig ungeordnet und haben das Potential, bleihaltige Materialien in vielen der oben genannten Anwendungen zu ersetzen. Allerdings war es bisher nicht klar, wie die lokale Struktur durch chemische Substitution so beeinflusst werden kann, dass die Eigenschaften der Relaxoren - die im Wesentlichen elektrischer Natur sind - kontrolliert werden können. Unserem Projekt ist es gelungen, den Ursprung des außergewöhnlichen dielektrischen und piezoelektrischen Verhaltens von Relaxoren durch einen integrierten Zugang zu erklären, der Experiment und Computerberechnungen eng verknüpft. Dabei setzten wir Raman-Spektroskopie ein, eine Technik, um mithilfe von Lasern die Schwingungen des atomaren Gitters in Materialien zu messen. Nachdem diese Gitterschwingungen von der lokalen Struktur des Materials beeinflusst werden, enthalten Raman-Messungen Informationen zu der statischen Anordnung der chemischen Elemente, welche die elektrische Polarisation auf atomarer Ebene beeinflusst und dadurch das Relaxorverhalten auslösen kann. Um Informationen über die atomare Struktur aus Raman-Spektren gewinnen zu können, haben wir die Spektren für verschiedene solcher Strukturen berechnet. Der Vergleich der berechneten und gemessenen Spektren hat es uns erlaubt, Schlussfolgerungen zur tatsächlichen atomaren Struktur zu ziehen. So konnten wir zeigen, dass in heterovalent-substituiertem Bariumtitanat geladene Defekte auftreten, die lokale Ladungsunterschiede ausgleichen und die ferroelektrische Fernordnung unterbrechen. Aus dem Vergleich unserer Ergebnisse mit den makroskopischen dielektrischen Eigenschaften konnten wir schließen, dass chemische Substitution die lokale atomare Struktur beeinflusst und dadurch ausschlaggebend für das Relaxorverhalten ist. Der Ansatz, den wir verfolgten, ist völlig neu in der wissenschaftlichen Community und hat ein Werkzeug zur gezielten chemiebasierten Einstellung der gewünschten (dielektrischen) Materialeigenschaften geliefert. Zusätzlich können die Ergebnisse unseres Projekts die Popularität von umweltfreundlichen Materialien für verschiedene fortgeschrittene Anwendungen steigern, indem sie aufzeigen, wie die atomare Struktur mit dem makroskopischen Verhalten der Materialien verknüpft ist.