Sauerstoffdiffusion und Leitfähigkeitsänderungen unter elektrischem Feld in Blei-Zirkonat-Titanat Multischichtaktuatoren

Abstract

In dieser Arbeit wurden Leitfähigkeitsdegradation und Sauerstoffleerstellendiffusion unter hoher elektrischer Feldbelastung in donordotierten Blei-Zirkonat-Titantat (PZT) Vielschichtaktuatoren mit einerseits Kupfer- und andererseits Silber/Palladium- Innenelektroden untersucht. Die Messungen erfolgten an einzelnen Innenelektroden bei Temperaturen von 200°C bis 350°C und angelegten elektrischen Feldern von 1,39 bis 27,8 MV/m (bei Proben mit Kupfer-Innenelektroden) und 0,06 bis 3,13 MV/m (bei Proben mit Silber/Palladium-Innenelektroden).<br />Es konnte beobachtet werden, dass die Leitfähigkeit des PZT in einem ersten Schritt auf ein Minimum abfiel, um dann langsam wieder anzusteigen, bis es zum Kurzschluss durch einen entstandenen Leitungspfad (Durchschuss) kam. Die Dauer des im ersten Bereich beobachteten Leitfähigkeitsabfalls und die des nachfolgenden Anstiegs war stark temperatur- und spannungsabhängig. Hinzu kam, dass bei den Proben mit Silber/Palladium-Innenelektroden bei Temperaturen über 250°C Silber-Oberflächendendrite von der Anode hin zur Kathode entstanden.<br />Dadurch kam es zur erheblich schnelleren Bildung von Leitungspfaden zwischen Anode und Kathode und schnelleren Durchschüssen. Zudem wurden durch die Bedeckung der Probe mit Elektrodenmaterial die Sauerstoffdiffusionsexperimente stark beeinträchtigt. Um Information über Sauerstoffdiffusion unter elektrischer Feldbelastung zu erhalten, wurden während der Leitfähigkeitsmessungen 18O2 Isotopenaustauschexperimente durchgeführt und mittels Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) analysiert. Es konnte ein verstärkter Sauerstoffeinbau ins PZT unter angelegter Spannung (hauptsächlich in den kathodennahen Regionen des PZT) beobachtet und daraus eine Spannungsabhängigkeit der Sauerstoff-Diffusionskoeffizienten nachgewiesen werden, was Information über die Verteilung von Sauerstoffleerstellen und deren Abhängigkeit von elektrischen Feldern lieferte.<br />Des Weiteren war es möglich durch vorhergehende Polarisation einen so starken Gradienten der Anionen und Kationen im Material zu erzeugen, dass selbst ohne bestehendes elektrisches Feld ein verstärkter 18O Einbau und Transport im kathodennahen Bereich des PZT aufgezeigt werden konnte.<br />

In this work conductivity degradation and oxygen vacancy diffusion under high electric fields were investigated on donor doped lead-zirconate-titanate (PZT) multilayer stacks with either copper or silver/palladium inner electrodes. The measurements were performed on single inner electrodes at temperatures from 200°C to 350°C and applied electric fields (direct current) from 1,39 to 27,8 MV/m (samples with copper inner electrodes) and 0,06 to 3,13 MV/m (samples with silver/palladium inner electrodes).<br />It was observed that the conductivity of the PZT decreased in a first step to a minimum, followed by a slow increase and finally a short circuit due to the formation of a conducting pathway. The time schedule within the conductivity reached its minima and maxima was strongly dependent on the temperature and the applied electric field. In addition the stacks with silver/palladium inner electrodes showed the formation of silver dendrites migrating over the surface of the PZT from the anode to the cathode at temperatures above 250°C. The formation of these conductive pathways between the electrodes resulted in faster short circuits and further affected the oxygen incorporation due to electrode material covering the PZT surface.<br />To obtain information about oxygen diffusion under electric fields, 18O2 tracer diffusion experiments were carried out during the conductivity measurements and were analyzed by Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS). The results showed a significantly enhanced incorporation of oxygen into the PZT due to an applied electric field and also a strong voltage dependency of the oxygen tracer diffusion coefficient. Upon applied electric fields a much higher incorporation of tracer oxygen into the PZT could be determined particularly in cathode near regions. From these measurements voltage dependent local oxygen tracer diffusion coefficients were calculated and information about the oxygen vacancy distribution and its field dependency was obtained.<br />Furthermore it was possible to prove enhanced oxygen diffusion in the area close to the cathode even without applied electric field, just due to remaining gradients created by a preceeding polarisation.