Versetzungen mechanisch in Keramiken einprägen

Die technischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts sind eng mit der Weiterentwicklung elektrokeramischer Bauteile verknüpft. Der Weltmarkt an Elektrokeramiken beträgt zurzeit jährlich etwa 25 Mrd € mit steigender Tendenz wegen der wachsenden Nachfrage an Kondensatoren, Sensoren und Aktuatoren. Neben den klassischen Dielektrika kommen hierbei vor allem Piezo- und Ferroelektrika zum Einsatz die dank ihrer nicht-zentrosymmetrischen Struktur und der daraus resultierenden spontanen Polarisation einzigartige Möglichkeiten bieten, um elektrische Ladungen oder mechanische Dehnungen im pm/nm Bereich zu generieren. Dies ermöglicht neue Bauteile herzustellen, die zudem auch den Miniaturisierungsansprüchen der Industrie gerecht werden können.

Die hochkomplexen Anforderungen an die elektromechanischen Eigenschaften werden hierbei unter anderem durch die Kontrolle der ferroelektrischen Domänenwandmobilität erreicht. Klassischerweise werden Punktdefekte in die Elektrokeramiken eingebracht, die dann mit den Domänenwänden wechselwirken. Obwohl solche Ansätze durchaus die primären Anforderungen erfüllen, zeigen diese sowohl bei anspruchsvollen Bedingungen (z.B. hohe Temperaturen) als auch im sekundären Anforderungsbereich (z.B. Zyklierstabilität, Komplexität, Rohstoff-Fußabdruck) deutliche Schwächen.

Diese Probleme wurden in der Arbeit von Höfling et al.1  durch einen neuen innovativen Ansatz adressiert. Hierbei wurden die Punktdefekte durch die deutlich stabileren Liniendefekte (sog. Versetzungen) ersetzt.

Als erstes musste hierzu der spröde Charakter der Keramik überwunden werden. Dies gelang mittels Hochtemperaturkriechens von einkristallinen Perowskiten, wobei eine plastische Verformung erzielt wurde und Versetzungen in das Material eingeprägt werden konnten und eine starke Anisotropie erzeugten (siehe Abbildung).

Durch das Einprägen von Versetzungen wurde die Nukleation der Domänen direkt beeinflusst und eine lokale Wechselwirkung auf atomarer Ebene zwischen Domänenwänden und Versetzungen initiiert, die als lokale Haftkraft beschrieben werden kann. Makroskopisch sorgt diese Haftkraft in Kombination mit einer auf die Domänen wirkenden elastischen Rückstellkraft für eine große Veränderung der elektromechanischen Eigenschaften. Dadurch wurde im ferroelektrischen Bariumtitanat eine fast zwanzigfache Erhöhung des piezoelektrischen Koeffizienten erreicht. Dieser für die Aktuatorik auschlaggebender Parameter wies außerdem eine hohe Temperaturstabilität und Zyklierstabilität auf.

Das Einbringen von Versetzungen bietet daher eine einzigartige Möglichkeit die Domänenwandbewegung an bestimmten Positionen gezielt zu modifizieren und ist somit eine spannende Alternative zu  konventionellen Methoden und ein kleiner Meilenstein für die Entwicklung von zukünftigen Elektrokeramiken. 

Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen eines Koselleck-Vorhabens der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und durch eine umfangreiche Kooperation zwischen mehreren Arbeitsgruppen der TU Darmstadt, sowie Gruppen aus der Schweiz, USA and der Niederlanden realisiert.

1M. Höfling, X. Zhou, L.M. Riemer, E. Bruder, B. Liu, L. Zhou, P.B. Groszewicz, F. Zhuo, B.-X. Xu, K. Durst, D. Damjanovic, J. Koruza, J. Rödel “Control of polarization in bulk ferroelectrics by mechanical dislocation imprint.” Science, 372, 961-965 (2021)

 

(Quelle: Science)

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