Lead-free piezoelectric ceramics [Elektronische Ressource] / von Klaus Seifert

Klaus Seifert

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 47
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Lead-Free
Piezoelectric
Ceramics


Vom Fachbereich Material- und Geowissenschaften der
Technischen Universität Darmstadt

zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
(Dr.-Ing.)

Genehmigte Dissertation von
Klaus Seifert, MPhys
aus Mönchengladbach

Referent: Prof. Dr. Jürgen Rödel
Korreferent: Prof. Dr. Karsten Albe

Tag der Einreichung: 29.07.2010
Tag der mündlichen Prüfung: 07.12.2010

Darmstadt 2010
D17





Bitte zitieren Sie dieses Dokument als:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23657
URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/2365


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Diese Arbeit wurde im Fachbereich Material- und Geowissenschaften,
Fachgebiet Nichtmetallisch-Anorganische Werkstoffe in der Zeit von
Oktober 2005 bis Juni 2009 unter der Betreuung von Prof. Dr. Jürgen
Rödel angefertigt.


Danksagung, Acknowledgements


Diese Arbeit wäre ohne die tatkräftige Unterstützung einer Vielzahl von Personen nicht
möglich gewesen, welchen ich hiermit danken möchte.

Ich danke Professor Jürgen Rödel für die Gelegenheit, unter seiner ausgezeichneten Aufsicht
und Betreuung in diesem Thema zu promovieren.
Professor Dr. Karsten Albe danke ich für die Übernahme des Zweitgutachtens.
Dr. Wook Jo möchte ich ebenfalls für die hervorragende Betreuung und fachliche sowie
persönliche Unterstützung bedanken.
Der gesamten Arbeitsgruppe NAW möchte ich für die tolle Zusammenarbeit und das gute
Arbeitsklima danken. Besonders Thorsten Leist und Jami Winzer möchte ich für die langjähre
Hilfe und Freundschaft danken.
Ohne Emil Aulbach, als der Entwickler und Hersteller unzähliger Messaufbauten, wäre ein
Großteil der Messungen in dieser Arbeit unmöglich gewesen, wofür ich mich bedanken
möchte.
Herbert Hebermehl und Michael Heyse danke ich für ihre Hilfe bei der Probenfertigung.
Besonderer Dank gilt natürlich auch meinen ehemaligen Hiwis Christine Jamin, Julia
Maibach, Silvia Vestweber, Ofer Hirsch und Stefanie Stuckenholz für ihre tatkräftige
Unterstützung.
Ljuba Schmitt danke ich für die TEM Untersuchungen meiner Proben und die fachliche Hilfe
bei der Interpretation selbiger.
Jean-Christophe Jaud danke ich für die intensive Unterstützung bei den
Röntgenstrukturmessungen vieler hunderter Proben.
Außer Konkurrenz möchte ich natürlich meine Eltern danken, ohne die diese Arbeit niemals
möglich gewesen wäre.
i CONTENT i
Content
1. Introduction .................................................................................................................................... 1
1.1. References .............................................................. 3
2. Theory and Literature ..................................................................................................................... 4
2.1. Basics of Ferroelectrics .......... 4
2.1.1 Dielectrics .......................................................... 4
2.1.2 Electrostriction and Piezoelectricity .................................................. 5
2.1.3 Field-Induced Phase Change Materials ............................................. 7
2.1.4 Ferroelectricity and Antiferroelectricity ............ 7
2.1.5 Relaxor Ferroelectrics ...................................................................... 10
2.1.6 Perovskites and Other Ferroelectric Structures ............................................................... 10
2.1.7 References ....................................................................................................................... 14
2.2. Bismuth Alkali Titanates ..................................... 15
2.2.1 Structure and Phase Transitions of BNT and BKT ......................................................... 15
2.2.2 Preparation of Pure BNT and BKT ................................................. 17
2.2.3 Properties of BNT and BKT ............................................................................................ 18
2.2.4 BNT-BT and Related Materials 19
2.2.5 BNT-BKT and Related Materials .................................................... 21
2.2.6 BNT-BKT-BT ................................................................ 23
2.2.7 Dopants, Modification and Their Effects ........................................ 24
2.2.8 Sol-Gel, Orientated Grain Growth and Single Crystals Bi-Based Materials ................... 29
2.2.9 Other Bismuth-based Ferroelectrics ................ 32
2.2.10 Summary of BNT-Based Materials ............................................. 32
2.2.11 References ................................................................................... 33
2.2.12 Tables of Properties of BNT-Based Materials ............................................................ 41
2.3. Potassium Sodium Niobates ................................................................................................ 59
2.3.1 Introduction ..................................................... 59
2.3.2 The Structure of KNN ..... 59
2.3.3 First Reported Results ..... 60
2.3.4 Processing ........................................................................................................................ 61
2.3.5 Influence of Dopants ....................................................................... 67
2.3.6 Summary .......................................................... 71
2.3.7 References ....................................................... 72
2.3.8 Tables of Properties of KNN-Based Materials 79
3. Concepts and Required Properties ................................................................................................ 89
3.1. Element Selection ................................................................................................................ 89
3.1.1 Toxicity, Price and Availability 89
3.1.2 Required Properties ......... 91
3.2. Search Concepts ................................................... 93
3.2.1 High Temperature BiMeO -PbTiO Analogue ................................................................ 95 3 3
3.2.2 Barium Copper Tungstenate ............................................................................................ 97
3.2.3 Ion Replacement in Known Systems ............................................... 99
3.2.4 Doping to Raise Phase Transition Temperatures ........................................................... 100
3.2.5 Broadening of the Phase Regions and Transition in BNT ............. 101
3.2.6 Morphotropic Phase Boundaries.................................................................................... 101
3.2.7 Combining Bismuth Alkali Titanates and Alkali Niobates ........................................... 102
3.3. Summary ................................ 103
3.4. References .......................................................... 104
4. Experimental Techniques ........................................................................... 107
4.1. Powder and Ceramic Processing: ....................................................... 107
4.2. Structure and Microstructure ............................................................................................. 110
4.2.1 Density ........................................................................................... 110
4.2.2 High-Resolution Electron Microscopy .......................................................................... 110
4.2.3 X-Ray Diffraction ................................111 ii CONTENT
4.2.4 Transmission Electron Microscopy ............................................................................... 112
4.3. Large-Signal Electrical Measurements .............................................. 113
4.4. Small-Signal Electrical Measurements 118
4.4.1 Small-Signal Piezoelectric Constant.............. 118
4.4.2 Temperature-Dependent Impedance Spectroscopy ....................................................... 118
4.4.3 Low Frequency Impedance Spectroscopy ..................................................................... 119
4.5. Ferroelastic Measurements ................................ 120
4.5.1 Sample Preparation ........ 120
4.5.2 Measurement Procedure 120
4.6. References .......................................................................................... 122
5. Experimental Results .................................................................................. 123
5.1. Nomenclature ..................................................... 123
5.2. Broad Composition Search ................................................................................................ 124
5.3. Structure and Microstructure ............................................................. 126
5.3.1 Density ........................................................................................... 126
5.3.2 Powder Diffraction ........