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Nanostrukturen machen Keramik bei Hitze elektromechanisch leistungsfähig
Piezoelektrische Keramiken verlieren bei großer Hitze häufig ihre geordnete elektrische Polarisation und damit einen Teil ihrer Funktion, doch Forschern ist es nun gelungen, in einer bleifreien Bismutferrit-Bariumtitanat-Keramik durch Wärmebehandlung ein Netzwerk nanoskopischer Grenzflächen zu erzeugen. Dadurch steigt die Curie-Temperatur auf 824 Grad Celsius, zugleich bleiben starke piezoelektrische Antworten bei hohen Temperaturen erhalten.
Manchester (England). Piezoelektrische Keramiken wandeln mechanischen Druck in elektrische Signale um und können umgekehrt elektrische Spannung in Verformung übersetzen. Sie stecken deshalb in Sensoren, Ultraschallwandlern und Aktoren, doch große Hitze kann die geordnete elektrische Polarisation und damit die piezoelektrische Funktion schwächen.
Besonders interessante elektrische Effekte entstehen oft an Grenzflächen zwischen unterschiedlich aufgebauten Bereichen eines Materials. In dünnen Schichten lassen sich solche Grenzflächen gezielt konstruieren, ihre Vorteile auf massive und technisch gut skalierbare Keramiken zu übertragen, war bislang jedoch schwierig.
Forscher von The University of Manchester um Yizhe Li haben nun einen anderen Weg untersucht. Sie behandelten eine bleifreie Keramik aus Bismutferrit und Bariumtitanat thermisch, sodass sich Bismut und Barium im Nanometermaßstab unterschiedlich verteilten. Dadurch entstanden im Inneren der Keramik zusammenhängende, chemisch modulierte Netzwerke, die wie eingebaute Heterogrenzflächen wirken.
Atomauflösende Mikroskopie, Spektroskopie und Modellrechnungen zeigen, dass diese nanoskopischen Bereiche in einem zusammenhängenden Kristallgitter erhalten bleiben. Die unterschiedlichen Zusammensetzungen erzeugen lokale elektrische Felder und elastische Spannungen, stabilisieren geladene Domänenwände und beeinflussen so die Ausrichtung der ferroelektrischen Bereiche.
„Viele der interessantesten Verhaltensweisen ferroelektrischer Materialien waren historisch auf Dünnschichten beschränkt, in denen Grenzflächen sorgfältig gestaltet werden können. Wir haben gezeigt, dass sich ähnliche Grenzflächeneffekte im gesamten Volumen einer festen Keramik erzeugen lassen. Das eröffnet neue Möglichkeiten, das elektrische und mechanische Verhalten dieser Materialien zu steuern“, erklärt Dr. David Hall von The University of Manchester.
Die interne Struktur verändert vor allem die thermische Stabilität, denn in der untersuchten Bismutferrit-Bariumtitanat-Keramik steigt die Curie-Temperatur auf 824 Grad Celsius und liegt damit mehr als 350 Grad über dem Ausgangsmaterial. Oberhalb dieser charakteristischen Temperatur geht die ferroelektrische Ordnung normalerweise verloren.
Zugleich erreicht das Material laut der veröffentlichten Studie bei hohen Temperaturen einen piezoelektrischen Ladungskoeffizienten d₃₃ von mehr als 400 Pikocoulomb pro Newton und einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k₃₃ von mehr als 0,4. Damit verbindet die Keramik eine stark erhöhte Übergangstemperatur mit einer ausgeprägten elektromechanischen Reaktion, statt die Hitzebeständigkeit durch einen weitgehenden Verlust der Funktion zu erkaufen.
Das Team nutzte die Heterostrukturen außerdem, um bevorzugte ferroelektrische Domänenzustände in das Material einzuprägen, und erzeugte durch elektrische oder mechanische Vorkonditionierung zusammen mit thermischer Alterung interne Vorspannungsfelder von mehr als acht Megavolt pro Meter. Nach starken äußeren Feldern konnte das Material in den vorgegebenen Zustand zurückkehren.
Bei einer entsprechend domänenoptimierten Variante erreichten die Forscher reversible Scherverformungen von bis zu 0,98 Prozent. Eine solche gezielt rückstellbare Verformung ist für Aktoren interessant, weil sie eine mechanische Bewegung unter elektrischer Ansteuerung ermöglicht, ohne dass die zuvor eingeprägte Domänenordnung dauerhaft verloren gehen muss.