Aufgrund der schädlichen Auswirkungen von bleihaltigen Piezokeramiken, sowohl auf die Umwelt als auch auf die Gesundheit von Mensch und Tier, haben Wissenschaftler versucht bleifreie piezoelektrische Materialien als Alternative zu entwickeln. Dabei haben sich bleifreie Relaxor-Ferroelektrika, basierend auf Bismuth-Natrium-Titanat (engl.: bismuth sodium titanate, Abk.: BNT) als vielversprechende Alternative zu Blei-Zirkonat-Titanat (engl. lead zirconate titanate, Abk.: PZT) herausgestellt, da sie ähnlich hohe oder sogar höhere Dehnungen beim Anlegen elektrischer Felder als PZT aufweisen können. Makroskopisch kann die hohe Dehnung auf einen reversiblen feldinduzierten Phasenübergang vom ergodischen Relaxor zum Ferroelektrikum der BNT-basierten Materialien zurückgeführt werden. Auf der Nanoskala hingegen, hängen die physikalischen Merkmale dieser Relaxoren mit der inhomogenen Verteilung der chemischen Ordnung zusammen, die zu Bereichen unterschiedlicher Polarisation unterhalb der Burns-Temperatur TB führt und als polare Nanoregionen (engl.: polar nanoregions, Abk.: PNRs) bezeichnet werden. Aus diesem Grund ist es zwingend erforderlich, die Eigenschaften solcher PNRs von bleifreien Relaxoren hinsichtlich ihrer Größe, Gestalt und Dynamik stimuliert durch statische bzw. dynamische elektrische Reize, zu untersuchen. Hierbei ist die Piezoresponse-Rasterkraftmikroskopie (engl.: piezoresponse force microscopy, Abk.: PFM) eine hilfreiche Methode, die ferroelektrischen Eigenschaften auf der Nanoskala zu charakterisieren.

Aufgrund ihrer geringen Größe von ca. 1 – 10 nm und der Dynamik von PNRs im ergodischen Zustand sowie der begrenzten lateralen und zeitlichen Auflösung von konventionellem PFM (einige Minuten), ist es nicht möglich, diese Materialklasse hinreichend mit dieser Methode auf der Nanoskala zu untersuchen. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Methoden entwickelt, um die laterale und zeitliche Auflösung von PFM zu steigern.

Ziel dieser Arbeit war es, Erkenntnisse in die grundlegenden physikalischenen Mechanismen dieser Materialklasse bezüglich der Verteilung der Ergodizität und Dynamik von PNRs verschiedener BNT-basierter bleifreier Relaxor-Ferroelektrika mit unterschiedlichen makroskopischen Eigenschaften, wie z. B. die große elektromechanische Antwort, mit Hilfe von PFM zu gewinnen. Bestehende PFM-Methoden, die in ihrer zeitlichen und lateralen Auflösungen beschränkt sind, wurden zur Auflösung von PNR-Strukturen und Relaxationsmechanismen elektrisch induzierter ferroelektrischer Domänen weiterentwickelt. Des Weiteren wurden die lokale Verteilung der Ergodiziät in Kombination mit der Dynamik von PNRs und die Wechselwirkungen von ergodischen mit nicht-ergodischen Bereichen an der Grenzfläche untersucht. Dabei wurden grundlegende Zusammenhänge zwischen der mikroskopischen Struktur und den makroskopischen Eigenschaften von bleifreien Relaxoren gefunden.