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Revealing the Domain Structure and the Relaxation Dynamics of BNT-Based Lead-Free Piezoceramics via Piezoresponse Force Microscopy

Liu, Na :
Revealing the Domain Structure and the Relaxation Dynamics of BNT-Based Lead-Free Piezoceramics via Piezoresponse Force Microscopy.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6570]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6570

Kurzbeschreibung (Abstract)

Driven by the concern about the harmful effects of lead-containing piezoelectric ceramics on the environment as well as human and animal health, many attempts have thus been made by researchers to develop lead-free piezoelectric alternatives. Bismuth sodium titanate (BNT)-derived lead-free relaxor ferroelectrics have been recognized as promising substitutions for the lead zirconate titanate (PZT), because they have potential to exhibit an electric field-induced high strain akin to or even surpassing the strain of the lead-based counterparts. Macroscopically, the origin of the large strain can be attributed to the reversible field-induced transition from the ergodic relaxor to the ferroelectric state. On the nanoscale, the peculiarities of relaxors are related to the inhomogeneous distribution of the chemical order causing a polarization inhomogeneity, so-called polar nanoregions (PNRs) that emerge below the Burns temperature TB. Hence, the necessity to study the properties of PNRs of lead-free relaxors with respect to the size, morphology, and dynamic response and evolution to a static or dynamic external electric stimulus, is undisputed. For that, piezoresponse force microscopy (PFM) is a promising tool to study the nanoscale characteristics of ferroelectrics.

In lead-free relaxor ceramics, because of tiny size (approximately 1−10 nm) and high dynamics of PNRs in the ergodic state and the limited lateral and temporal resolution of the instrument of conventional PFM imaging (several minutes per frame or longer), the spatiotemporal resolution of conventional PFM techniques is not sufficient to study this class of materials on the nanoscale. Thus, novel PFM techniques providing high spatial and temporal resolution have to be developed.

The aim of this thesis was to gain an insight into the fundamental physical mechanisms with respect to the distribution of the ergodicity and PNRs dynamics in different kinds of BNT-based lead-free relaxor ferroelectrics with peculiar macroscopic properties, e.g. a large electromechanical response, using PFM. Existing PFM modes that are restricted in spatial and temporal resolution were further developed and improved to enhance the visualization of the PNRs structure and observe the relaxation behavior of electric field-induced ferroelectric domains. The distribution of local degree of ergodicity associated with the dynamics of PNRs, and the interfacial interactions of ergodic and non-ergodic quantities were studied. The fundamental microscopic-structure–macroscopic-properties relationship of lead-free relaxors was elucidated.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Liu, Na
Titel: Revealing the Domain Structure and the Relaxation Dynamics of BNT-Based Lead-Free Piezoceramics via Piezoresponse Force Microscopy
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Driven by the concern about the harmful effects of lead-containing piezoelectric ceramics on the environment as well as human and animal health, many attempts have thus been made by researchers to develop lead-free piezoelectric alternatives. Bismuth sodium titanate (BNT)-derived lead-free relaxor ferroelectrics have been recognized as promising substitutions for the lead zirconate titanate (PZT), because they have potential to exhibit an electric field-induced high strain akin to or even surpassing the strain of the lead-based counterparts. Macroscopically, the origin of the large strain can be attributed to the reversible field-induced transition from the ergodic relaxor to the ferroelectric state. On the nanoscale, the peculiarities of relaxors are related to the inhomogeneous distribution of the chemical order causing a polarization inhomogeneity, so-called polar nanoregions (PNRs) that emerge below the Burns temperature TB. Hence, the necessity to study the properties of PNRs of lead-free relaxors with respect to the size, morphology, and dynamic response and evolution to a static or dynamic external electric stimulus, is undisputed. For that, piezoresponse force microscopy (PFM) is a promising tool to study the nanoscale characteristics of ferroelectrics.

In lead-free relaxor ceramics, because of tiny size (approximately 1−10 nm) and high dynamics of PNRs in the ergodic state and the limited lateral and temporal resolution of the instrument of conventional PFM imaging (several minutes per frame or longer), the spatiotemporal resolution of conventional PFM techniques is not sufficient to study this class of materials on the nanoscale. Thus, novel PFM techniques providing high spatial and temporal resolution have to be developed.

The aim of this thesis was to gain an insight into the fundamental physical mechanisms with respect to the distribution of the ergodicity and PNRs dynamics in different kinds of BNT-based lead-free relaxor ferroelectrics with peculiar macroscopic properties, e.g. a large electromechanical response, using PFM. Existing PFM modes that are restricted in spatial and temporal resolution were further developed and improved to enhance the visualization of the PNRs structure and observe the relaxation behavior of electric field-induced ferroelectric domains. The distribution of local degree of ergodicity associated with the dynamics of PNRs, and the interfacial interactions of ergodic and non-ergodic quantities were studied. The fundamental microscopic-structure–macroscopic-properties relationship of lead-free relaxors was elucidated.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Physics of Surfaces
Hinterlegungsdatum: 09 Jul 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6570
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-65706
Gutachter / Prüfer: Stark, Prof. Dr. Robert ; Xu, Prof. Dr. Baixiang
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 Juni 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
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.Deutsch
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