Ferroelektrika
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Ferroelektrika Seminar zum Praktikum Modul ACIII Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Definition Ferroelektrizität: Änderung der Richtung der spontanen Polarisation im elektrischen Feld bei Stoffen mit einem permanenten elektrischen Dipolmoment. Name: Resultiert aus der Analogie zum Ferromagnetismus Vgl. Versuch „Magnetphasen“ Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Ferromagnetismus Curie-Weiss-Gesetz 1 M B Curie-Temperatur M a g n . M o m e n t [ /F .E .] Hysteresekurve M R S 0 B K -1 -4 -2 0 2 4 B [ T ] MS: Sättigungsmagnetisierung MR: Remanenzmagnetisierung BK: Koerzitivfeldstärke http://groups.uni-paderborn.de/hfe/lehre/Script_wks_4.pdf Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Beispiele und Struktur BaTiO3 und SrTiO3 Perowskitstruktur (CaTiO3) Ableitbar ReO3-Struktur Re3+ Ti4+ Ecken des Würfels O2- bleibt auf Kanten Ca2+ ins Zentrum Ti4+ : 6 O28 Ca2+ : Oktaeder : Würfel ______________________________________________________________________________________________________________ Ca2+ : 12 O2- : Kuboktaeder 8 Ti4+ : Würfel TiO6-Oktaeder, in alle drei Richtungen mit anderen TiO6-Oktaedern eckenverknüpft. Zwischen jeweils acht dieser Oktaeder liegt ein Ca2+. http://www.wikichemie.de/web/band4_7-5-2.php http://www.3dchem.com/inorganics/ch23f22.jpg Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Beispiele und Struktur BaTiO3 und SrTiO3 Perowskitstruktur (CaTiO3) ccp von Ba2+ und O2Kleineres Kation Ti4+ Oktaeder KZ 6 Größeres Kation Ba2+ Kuboktaeder KZ 12 http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/126627 Maria Mesch Vgl. Versuch „Supraleiter“ Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Erklärung Spontane Polarisierung durch Bewegungsspielraum der Ti4+-Ionen Ausbildung von Domänen (90° und 180°) Ausrichten der Domänen im E-Feld http://matheplanet.com/matheplanet/nuke/html/uploads/8/14350_Perowskit_Piezo.png Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Ferromagnetismus Weiß‘sche Domänen Magnetische Domänen > 10 nm Maria Mesch Elektrische Domänen (~1nm) (1) unpolarisierte, paraelektrische Keramik (oberhalb der Curietemperatur) (2) während der Polung (3) nach der Polung (ferroelektrische Keramik). Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Piezoelektrika Alle Ferroelektrika sind piezoelektrisch, aber nicht alle Piezoelektrika sind ferroelektrisch. Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika - Piezoelektrizität ABER: Statistisches displazives Verkippen der Tetraeder! Verzwilligung Keine enantiomerenreine Herstellung aus Hoch-Quarz möglich! Herstellung unter 573 °C (Hydrothermale Einkristallzucht) Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Anwendungen Ferroelektrische Speicherelemente (FRAM) Piezoelektrika für AFM, Einspritzventile (PZT, Pb(Zr,Ti)O3) Elektrete (Sensoren, Mikrofone) Kondensatoren (BaTiO3: 200 Mrd. Stück/Jahr) http://news.thomasnet.com Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Auswertung Goldschmidtfaktor (Viktor Moritz Goldschmidt (1888 – 1947)) Ermittlung der Stabilität/Verzerrung einer Perowskitstruktur über den Toleranzfaktor t d A O ABO3, rA > rB t 2d B O Stabile Perowskitstruktur 0,75 < t < 1, ideal kubisch: t nahe 1 ABO3 SrTiO3 BaTiO3 Abstände [Å] dA-O dB-O 2,7584 1,9505 2,8345 2,1680 ? ? Goldschmidtfaktor t Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Auswertung Scherrer-Formel L = Ausdehnung der Probenkristallite senkrecht zur Netzebene des Reflexes K = Scherrer Formfaktor (~1) λ = Wellenlänge der Röntgenstrahlung (CuKα = 154 pm) ∆H(2θ) = Halbwertsbreite des Reflexes im Bogenmaß θ = Beugungswinkel des Reflexes (=2 θ /2) !!! Wichtig !!! Vor und nach dem Tempern den gleichen Reflex betrachten. Maria Mesch Ferroelektrika 2014 Ferroelektrika – Durchführung Genau abgewogene Mengen im Mörser mit Aceton intensiv vermischen (Diffusion!!!) Für BaTiO3 nur den halben Ansatz verwenden. Vorsicht mit den Pressen!!! (extra Einweisung!!!) Maria Mesch Ferroelektrika 2014
