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Defect level identification in acceptor-doped polycrystalline barium titanate

Lohaus, Katharina Natalie Silvana (2023)
Defect level identification in acceptor-doped polycrystalline barium titanate.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024453
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24453

Kurzbeschreibung (Abstract)

The major objective of this work is the development and qualification of two promising approaches for defect level identification in acceptor-doped polycrystalline barium titanate. To allow measurements on defined high-quality samples, undoped, Mn- and Fe-doped polycrystalline BaTiO₃ ceramics with different acceptor-doping concentrations have been synthesized via the conventional solid-state-reaction method. The influence of acceptor-doping on the microstructure and crystal structure has been investigated by means of SEM, EBSD, and XRD analysis. After exceeding a dopant-dependent threshold value, the phase fraction of the hexagonal polymorph increases with further increase in doping concentration. The appearance of the non-ferroelectric hexagonal polymorph had considerable consequences for the microstructure as well as the temperature-dependent permittivity and the ferroelectric behavior (P-E loops).

The first goal of this work was to elaborate, if the defect energy levels in acceptor-doped polycrystalline BaTiO₃ can be identified using X-ray photoelectron spectroscopy. For this purpose, the Fermi level position during contact formation of RuO₂, PtOₓ, and Sn-doped In₂O₃ electrodes to polycrystalline BaTiO₃ ceramics with different Mn-doping and oxygen vacancy concentrations has been examined by means of XPS. In addition, the experimental data has been used to simulate the contact formation between RuO₂ and reduced Mn-doped BaTiO₃. The combination of experiment and simulation revealed that the interface approach is only utilizable for low-permittivity materials.

The second goal of this work was to elaborate, to which extent re-oxidation experiments can be used to identify the defect energy levels in acceptor-doped polycrystalline BaTiO₃. For this purpose, Mn- and Fe-doped polycrystalline BaTiO₃ specimens have been slowly re-oxidized by temperature cycling, while the DC-conductivity was monitored. In addition, the different contributions to the electronic conductivity have been simulated using MATLAB. The comparison between simulated and experimental activation energy evolution revealed considerable differences. This indicates that the current simulation tool did not capture all effects, which contribute to the electronic conductivity. To this state, no reliable defect level identification and quantitative description of the re-oxidation experiments is possible, yet. However, the obtained results enabled a quantitative understanding of space charge region characteristics at grain boundaries.

Finally, the influence of Mn- and Fe-doping on the resistance degradation of polycrystalline BaTiO₃ has been investigated. Both acceptors increased the lifetime of polycrystalline BaTiO₃, with Mn-doping being significantly more efficient than Fe-doping.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Lohaus, Katharina Natalie Silvana

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Defect level identification in acceptor-doped polycrystalline barium titanate

Sprache:

Englisch

Referenten:

Klein, Prof. Dr. Andreas ; Koruza, Prof. Dr. Jurij

Publikationsjahr:

21 September 2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

vii, 282 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

24 Juli 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024453

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24453

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung und Qualifizierung von zwei vielversprechenden Methoden zur Defektlevel-Identifizierung in Akzeptor-dotiertem polykristallinem Bariumtitanat. Um Untersuchungen an definierten Proben zu ermöglichen, wurde mittels Festkörpersynthese undotiertes sowie Mn- und Fe-dotiertes polykristallines BaTiO₃ hergestellt. Der Einfluss der Akzeptor-Konzentration auf die Mikrostruktur und Kristallstruktur wurde mit Hilfe von SEM, EBSD und XRD untersucht. Nach Überschreiten eines vom Dotierstoff abhängigen Schwellenwertes steigt der Anteil der hexagonalen Phase mit steigender Akzeptor-Konzentration. Das Auftreten der nicht ferroelektrischen hexagonalen Phase hat deutliche Auswirkungen auf die Mikrostruktur, die temperaturabhängige Permittivität sowie die ferroelektrischen Eigenschaften (P-E Kurven).

Das erste Hauptziel dieser Arbeit befasste sich mit der Frage, ob die Defektlevel von Akzeptor-dotiertem polykristallinem BaTiO₃ mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie identifiziert werden können. Hierzu wurden die Grenzflächen zwischen RuO₂, PtOₓ und Sn-dotiertem In₂O₃ Elektroden zu polykristallinem BaTiO₃ mit unterschiedlicher Mn- und Sauerstoffleerstellen Konzentration untersucht. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurde die Grenzfläche zwischen RuO₂ und reduziertem Mn-dotiertem BaTiO₃ in MATLAB simuliert. Die Kombination aus Experiment und Simulation zeigt, dass die Grenzflächenmethode nur für Materialien mit einer geringen Permittivität geeignet ist.

Das zweite Hauptziel dieser Arbeit befasste sich mit der Frage, bis zu welchem Maß Re-Oxidationsexperimente für die Defektlevel-Identifizierung in Akzeptor-dotiertem polykristallinem BaTiO₃ genutzt werden können. Durch aufeinander folgende Heizzyklen wurde Mn- und Fe-dotiertes polykristallines BaTiO₃ langsam re-oxidiert, während die DC-Leitfähigkeit aufgezeichnet wurde. Zudem wurden die unterschiedlichen Beiträge zur elektronischen Leitfähigkeit in einem MATLAB Tool simuliert. Der Vergleich von experimenteller und simulierter Aktivierungsenergie zeigte deutlich Unterschiede, weshalb davon ausgegangen wird, dass neben den implementierten Beiträgen noch weitere Effekte Auswirkung auf die elektrische Leitfähigkeit haben. Mit dem derzeitigen Simulationstool war es nicht möglich, eine verlässliche Defektlevel-Identifizierung oder quantitative Beschreibung des Re-Oxidations-Verhaltens zu erreichen. Dennoch konnten die vorliegenden Ergebnisse zu einem tieferen Verständnis von Raumladungszonen an Korngrenzen beitragen.

Zum Abschluss wurde der Einfluss von Mn- und Fe-Dotierung auf die Widerstandsdegradation von polykristallinem BaTiO₃ untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass beide Akzeptoren die Lebenszeit von polykristallinem BaTiO₃ steigern, wobei die Mn-Dotierung eine deutlich höhere Lebenszeitsteigerung erzielte.

Deutsch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-244532

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Elektronenstruktur von Materialien

Hinterlegungsdatum:

21 Sep 2023 14:26

Letzte Änderung:

22 Sep 2023 09:18

PPN:

Referenten:

Klein, Prof. Dr. Andreas ; Koruza, Prof. Dr. Jurij

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung:

24 Juli 2023

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