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Electronic structure of sodium niobate - Fermi energy, band gap, defects, and transport properties

Bein, Nicole (2024)
Electronic structure of sodium niobate - Fermi energy, band gap, defects, and transport properties.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027352
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

High-energy density capacitors are an important component of electrical power converters, which are required to invert AC- to DC-signals for, e.g. charging the batteries of electric vehicles or to feed the wind power of wind turbines into our electric grid. Antiferroelectric materials are promising candidates for such high-energy density capacitors because of their higher energy densities compared to dielectric or ferroelectric capacitors and their higher power densities in comparison to electrochemical capacitors. However, the only suitable antiferroelectric materials for these applications so far, are lead zirconate titanate (PZT) based materials. During production and recycling of these materials toxic lead-containing species are formed. In contrast, non-toxic alternatives such as silver (AN) or sodium niobate (NN) are very expensive. Hence, the demand of new non-toxic but cheap antiferroelectric materials is high.

In this work, the electronic structure of the antiferroelectric material sodium niobate is investigated. For comparison, the ferroelectric material potassium niobate (KN) is analyzed to identify possible differences, which are responsible for the (anti)ferroelectric properties of these two systems. Scanning electron microscopy (SEM) and x-ray diffraction (XRD) are used to verify the composition, crystal structure, and microstructure of the prepared ceramics. The polarization behavior with changing electric fields is examined to qualify the (anti)ferroelectric properties. In order to analyze the electronic structure including band gap and trapping states, which can confine the Fermi level, x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements in combination with different oxidizing and reducing treatments are conducted. The charge transport species and mechanisms, type of conductivity, and possible defect species present in the samples are analyzed by electric field, temperature, atmosphere, and time dependent conductivity measurements. These experiments are complemented with temperature and field dependent conductivity measurements while recording XP-spectra. With these results a first model explaining the electronic structures of sodium and potassium niobate is postulated. Next steps to verify this model are proposed. Therefore, this work provides the basis for further investigations examining the connection between the electronic structure and the antiferroelectric properties to predict new, cheap, and non-toxic antiferroelectric materials.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Bein, Nicole
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Electronic structure of sodium niobate - Fermi energy, band gap, defects, and transport properties
Sprache: Englisch
Referenten: Klein, Prof. Dr. Andreas ; Frömling, Dr. Till
Publikationsjahr: 3 Juni 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xii, 292 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 22 Februar 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027352
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27352
Kurzbeschreibung (Abstract):

High-energy density capacitors are an important component of electrical power converters, which are required to invert AC- to DC-signals for, e.g. charging the batteries of electric vehicles or to feed the wind power of wind turbines into our electric grid. Antiferroelectric materials are promising candidates for such high-energy density capacitors because of their higher energy densities compared to dielectric or ferroelectric capacitors and their higher power densities in comparison to electrochemical capacitors. However, the only suitable antiferroelectric materials for these applications so far, are lead zirconate titanate (PZT) based materials. During production and recycling of these materials toxic lead-containing species are formed. In contrast, non-toxic alternatives such as silver (AN) or sodium niobate (NN) are very expensive. Hence, the demand of new non-toxic but cheap antiferroelectric materials is high.

In this work, the electronic structure of the antiferroelectric material sodium niobate is investigated. For comparison, the ferroelectric material potassium niobate (KN) is analyzed to identify possible differences, which are responsible for the (anti)ferroelectric properties of these two systems. Scanning electron microscopy (SEM) and x-ray diffraction (XRD) are used to verify the composition, crystal structure, and microstructure of the prepared ceramics. The polarization behavior with changing electric fields is examined to qualify the (anti)ferroelectric properties. In order to analyze the electronic structure including band gap and trapping states, which can confine the Fermi level, x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements in combination with different oxidizing and reducing treatments are conducted. The charge transport species and mechanisms, type of conductivity, and possible defect species present in the samples are analyzed by electric field, temperature, atmosphere, and time dependent conductivity measurements. These experiments are complemented with temperature and field dependent conductivity measurements while recording XP-spectra. With these results a first model explaining the electronic structures of sodium and potassium niobate is postulated. Next steps to verify this model are proposed. Therefore, this work provides the basis for further investigations examining the connection between the electronic structure and the antiferroelectric properties to predict new, cheap, and non-toxic antiferroelectric materials.

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Kondensatoren mit hoher Energiedichte sind wichtige Komponenten in Gleichrichtern, welche zur Invertierung von AC- zu DC-Signalen gebraucht werden, um z.B. Akkumulatoren elektrischer Fahrzeuge zu laden oder die Windenergie von Windturbinen in unser elektrisches Netz zu speißen. Antiferroelektrische Materialien sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte im Vergleich zu dielektrischen oder ferroelektrischen Kondensatoren und ihrer hohen Leistungsdichte im Vergleich zu elektrochemischen Kondensatoren erfolgsversprechende Kandidaten für solche hochenergetischen Kondensatoren. Bisher sind allerdings die einzigen geeigneten antiferroelektrischen Materialien für solche Anwendungen Bleizirkonattitanat (PZT) basierende Materialien. Während der Herstellung und des Recyclings dieser Materialien entstehen giftige bleihaltige Komponenten. Im Gegensatz dazu sind die nicht giftigen Alternativen wie Silber- (AN) oder Natriumniobat (NN) sehr teuer. Dementsprechend ist die Nachfrage nach nicht giftigen kostengünstigen antiferroelektrischen Alternativen sehr hoch.

In dieser Arbeit wurde die Elektronenstruktur des antiferroelektrischen Materials Natriumniobat untersucht. Zum Vergleich wurde das ferroelektrische Material Kaliumniobat (KN) analysiert, um mögliche Unterschiede, die verantwortlich für die (anti)ferroelektrischen Eigenschaften dieser beiden Materialsysteme sind, zu identifizieren. Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenbeugung (XRD) wurden verwendet, um die Zusammensetzung, Kristallstruktur und Mikrostruktur der hergestellten Keramiken zu verifizieren. Das Polarisationsverhalten mit sich änderten elektrischem Feld wurde untersucht, um die (anti)ferroelektrischen Eigenschaften zu qualifizieren. Die elektronische Struktur inklusive Bandlücke und energetischen Fallen, welche das Ferminiveau begrenzen können, wurden mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopiemessungen (XPS) in Verbindung mit oxidierenden und reduzierenden Behandlungen untersucht. Die Arten und Mechanismen des Ladungstransports, die Art der Leitfähigkeit und mögliche präsente Defekte wurden mittels feld-, temperatur-, atmosphären und zeitabhängiger Leitfähigkeitsmessungen analysiert. Diese Experimente wurden mit temperaturund feldabhängigen Leitfähigkeitsmessung während der Aufnahme von XP-Spektren komplementiert. Mit diesen Ergebnissen wurde ein erstes Modell postuliert, das die elektronische Struktur von Natrium- und Kaliumniobat erklärt. Zudem wurden nächste Schritte zur Verifizierung des Modells aufgeführt. Dementsprechend schafft diese Arbeit die Basis für weitere Untersuchungen zur Analyse der Verbindung zwischen elektronischer Struktur und antiferroelektrischen Eigenschaften, um neue, günstige und nicht giftige antiferroelektrische Materialzusammensetzungen vorherzusagen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-273526
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
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: 03 Jun 2024 11:17
Letzte Änderung: 04 Jun 2024 05:42
PPN:
Referenten: Klein, Prof. Dr. Andreas ; Frömling, Dr. Till
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 22 Februar 2024
Export:
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