De-Korrelation der Polarisation in Perovskit-Relaxoren

Relaxoren klingt auf den ersten Blick nach Entspannung, jedoch handelt es sich hier um eine faszinierende Klasse von Materialien. Seit ihrer Entdeckung in den 1960er Jahren in Russland, versuchen Forscher aus aller Welt deren Ursprung auf atomistischer Ebene zu verstehen. Motiviert durch folgendes Ziel: Versteht man das Verhalten von Relaxoren, so kann dieses auch gesteuert werden. Aber was ist eigentlich dieses Relaxor-Verhalten? Stellen Sie sich vor, Sie halten einen Gegenstand in ihrer Hand, wobei dieser durch Ihre Körpertemperatur auf 37C erwärmt wird und bei erreichen ebendieser abrupt seine Farbe ändert. Ein Relaxor würde hingegen seine Farbe, graduell, über einen Temperaturbereich ändern. Dieser Bereich lässt sich zusätzlich durch die Geschwindigkeit Ihrer Handbewegung verschieben. Ersetzt man nun den Farbwechsel durch die elektrische Permittivität und die Geschwindigkeit durch die Frequenz eines extern angelegten elektrischen Feldes, so ist die Definition eines Relaxors komplett. Eine wichtige Gruppe von Relaxor-Materialien stellen BaTiO3-Perowskite dar. In reinem BaTiO3 können Effekte wie Ferroelektrizität und Piezoelektrizität (durch Anlegen eines elektrischen Feldes verformt sich das Material) beobachtet werden. Diese Eigenschaften finden ihren Ursprung in der atomaren Struktur, wo eine Verschiebung des Titanatoms (Ti) aus dem Zentrum der Einheitszelle stattfindet. Durch eine Substitution von Ti an gewissen Gitterstellen lässt sich die elektrische Polarisation unterbrechen und es kommt zu einem Relaxor-Verhalten. Heutzutage, lässt sich der Austausch von Ti durch andere Atome mittels chemischer Prozesse erreichen, jedoch ist die Herkunft der drastischen Änderung der Eigenschaften bisher weitgehend ungeklärt. In unserem Projekt, genannt POLDERs, werden wir genau diese Aspekte aufgreifen und mit Hilfe verschiedenster Methoden erforschen. Unsere vorausgegangenen Ergebnisse zeigen einen wesentlichen Einfluss der elektrischen Ladung, von eingebrachten und substituierten Atomen, auf die Größe und Polarität von Regionen, welche die elektrische Polarisation unterbrechen und somit stören. Diese Regionen werden von uns POLDERs (POLarization DEcorrelation Regions) genannt. Ähnlich wie mit LEGO-Bausteinen auf atomarer Ebene, werden wir Ti in BaTiO 3 gegen Atome mit verschiedenen Eigenschaften, z.B. Zirkonium Zr und Niobium Nb, gleichzeitig austauschen. Durch Messungen auf atomarer und makroskopischer Ebene, sowie durch Modellierung über verschiedene Größenordnungen, wird es uns ermöglicht die Entstehung und das Verhalten von POLDERs zu untersuchen und in weiterer Folge dieses auch zu steuern. Dies stellt ein bahnbrechendes Ergebnis für viele Applikationen im Bereich Telekommunikation und Energiespeicherung dar.

"Relaxoren" klingt auf den ersten Blick nach Entspannung, jedoch handelt es sich hier um eine faszinierende Klasse von Materialien. Seit ihrer Entdeckung in den 1960er Jahren in Russland, versuchen Forscher aus aller Welt deren Ursprung auf atomistischer Ebene zu verstehen. Motiviert durch folgendes Ziel: Versteht man das Verhalten von Relaxoren, so kann dieses auch gesteuert werden. Aber was ist eigentlich dieses Relaxor-Verhalten? Stellen Sie sich vor, Sie halten einen Gegenstand in ihrer Hand, wobei dieser durch Ihre Körpertemperatur auf 37C erwärmt wird und bei erreichen ebendieser abrupt seine Farbe ändert. Ein Relaxor würde hingegen seine Farbe, graduell, über einen Temperaturbereich ändern. Dieser Bereich lässt sich zusätzlich durch die Geschwindigkeit Ihrer Handbewegung verschieben. Ersetzt man nun den Farbwechsel durch die elektrische Permittivität und die Geschwindigkeit durch die Frequenz eines extern angelegten elektrischen Feldes, so ist die Definition eines Relaxors komplett. Eine wichtige Gruppe von Relaxor-Materialien stellen BaTiO3-Perowskite dar. In reinem BaTiO3 können Effekte wie Ferroelektrizität und Piezoelektrizität (durch Anlegen eines elektrischen Feldes verformt sich das Material) beobachtet werden. Diese Eigenschaften finden ihren Ursprung in der atomaren Struktur, wo eine Verschiebung des Titanatoms (Ti) aus dem Zentrum der Einheitszelle stattfindet. Durch eine Substitution von Ti an gewissen Gitterstellen lässt sich die elektrische Polarisation unterbrechen und es kommt zu einem Relaxor-Verhalten. Heutzutage, lässt sich der Austausch von Ti durch andere Atome mittels chemischer Prozesse erreichen, jedoch ist die Herkunft der drastischen Änderung der Eigenschaften bisher weitgehend ungeklärt. In unserem Projekt, genannt POLDERs, konnten wir besser verstehen, wie Relaxoren wirken. Unsere Ergebnisse zeigen einen wesentlichen Einfluss der elektrischen Ladung, von eingebrachten und substituierten Atomen, auf die Größe und Polarität von Regionen, welche die elektrische Polarisation unterbrechen und somit stören. Diese Regionen werden von uns POLDERs ("POLarization DEcorrelation Regions") genannt. Ähnlich wie mit LEGO-Bausteinen auf atomarer Ebene, haben wir Ti in BaTiO3 gegen Atome mit verschiedenen Eigenschaften, z.B. Zirkonium Zr und Niobium Nb, gleichzeitig ausgetauscht. Durch Messungen auf atomarer und makroskopischer Ebene, sowie durch Modellierung über verschiedene Größenordnungen, wurde es uns ermöglicht die Entstehung und das Verhalten von POLDERs in der Hinsicht auf Relaxor-Verhalten zu untersuchen und in weiterer Folge dieses auch zu steuern. Dies stellt ein bahnbrechendes Ergebnis für viele Applikationen im Bereich Telekommunikation, piezoelektrischer Aktuatoren und Energiespeicherung dar.