Defect-modulated Electrical and Mechanical Properties of Sodium Bismuth Titanate

Natrium-Bismut-Titanat (NBT) gilt nicht nur als vielversprechendes bleifreies Ferroelektrikum, sondern kann ebenfalls als Sauerstoffleiter eingesetzt werden. Infolge geringer Veränderungen der Zusammensetzung besitzt die Elektrokeramik entweder ferro-/dielektrische oder sauerstoffionenleitende Eigenschaften. Der Anwendungsbereich erstreckt sich hierbei von Aktoren, Sensoren, Kondensatoren und Energiespeichersystemen bis zu Festoxidbrennstoffzellen. Trotz der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ist bisher wenig über die strukturellen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Materials in Abhängigkeit von der Zusammensetzung bekannt. Diese Arbeit thematisiert deshalb den Einfluss von Nichtstöchiometrie sowie unterschiedlicher A- und B-Platz-Dotierungsstoffe auf die genannten Eigenschaften. Abgerundet wird die Studie durch die Betrachtung der für potenzielle Anwendungen wichtigen spannungsabhängigen elektrischen Eigenschaften.
Die Untersuchungen zeigten, dass Zusammensetzungsänderungen eine Variation in der Sauerstoffleerstellenkonzentration bedingt, welche einen entscheidenden Einfluss auf die ferroelektrischen, ferroelastischen Eigenschaften und die Sauerstoffleitfähigkeit hat. Im Gegensatz hierzu wies die temperaturabhängige Phasenumwandlungssequenz keine Abhängigkeit von der Zusammensetzung auf. Außerdem konnte das Materialverhalten von den häufig beschriebenen relaxor-ähnlichen Eigenschaften abgegrenzt werden. Das bislang wenig untersuchte mechanische Verhalten wurde auf ferroelastisches Domänenschalten zurückgeführt. Bei erhöhten Temperaturen konnte zusätzlich ein spannungsinduzierter Phasenübergang beobachtet werden. Spannungsabhängige elektrische Messungen verdeutlichten die Empfindlichkeit des Materials gegenüber externen Stimuli, wobei unter anderem ein Einfluss auf die Phasenumwandlung deutlich wurde. Diese Erkenntnisse liefern neue Einblicke in das Materialverhalten von NBT und sind daher für eine große Forschergemeinschaft von Interesse.