Kationentransport in feldbelasteten Blei-Zirkonat-Titanat-Pb(ZrxTi1-x)O3-Keramiken

Abstract

Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(ZrxTi1-x)O3, kurz PZT) Keramiken wurden seit ihrer Entwicklung in den 1950er Jahren zu einer der wichtigsten ferroelektrischen Materialen. PZT findet man heutzutage in Ultraschallgeneratoren, Lautsprechern, Mikrofonen und Aktuatoren für präzise Positionierung oder in Direkteinspritzsystemen in Verbrennungsmotoren. Bei der Anwendung werden Elektrokeramiken, wie auch das PZT, oft mit hoher Spannung belastet, was zur Ermüdung und Degradation führt. Allerdings fehlt die genaue Aufklärung der Degradationsmechanismen im Fall des PZT. Zur Untersuchung der Degradation des PZT unter Feldbelastung werden Aktuator-Stacks mit Kupferinnelektroden verwendet. Die Proben werden bei 350-550 °C mit hoher DC-Spannung (100-200 V) degradiert, während sie mittels Impedanzspektroskopie und Lichtmikroskopie untersucht werden und der Zustand der Proben wird nach der Degradation mit Impedanzspektroskopie verfolgt. Mit Mikroelektroden werden die kathodischen und anodischen Prozesse getrennt gemessen bzw. die lokalen Leitfähigkeitsänderungen werden nach anodischer und kathodischer Polarisation untersucht. Zur Untersuchung der feldinduzierten (Kat)Ionenbewegung werden außer der Impedanzspektroskopie PZT-Dünnschichten synthetisiert und verwendet. Die Dünnschichten werden mit DC-Spannung polarisiert, die Änderungen der Kationkonzentrationen werden danach mit ToF-SIMS analysiert. Aufgrund der Resultate ist zu schließen, dass die Bleileerstellen bei der gegeben Temperatur unter Feld mobil sind, weiters führt vermutlich die Polarisation zum Aufbauen von Raumladungszonen an Korngrenzen.

After its development in the 1950s, lead zirkonate titanate (Pb(ZrxTi1-x)O3, shortly PZT) has become one of the most important ferroelectric materials. PZT is used in ultrasonic generators, loudspeakers, microphones, actuators for precision positioning, or also for direct fuel injection systems in combustion engines. Electroceramics such as PZT are often strained by high electric field, which causes fatigue and degradation. However, degradation mechanisms of PZT are not completely understood. To investigate the degradation of PZT under high field stress, actuator stacks with copper inner electrodes are used. The degradation process is performed at elevated temperatures (350-550 °C) and high DC-voltage (100-200V). During degradation and the subsequent relaxation the sample is characterized by impedance spectroscopy and light microscopy. Using microelectrodes cathodic and anodic processes are measured separately and local conductivity changes can be investigated after cathodic and anodic polarization. For further investigation of field induced (cat)ion movement in addition to impedance spectroscopy on stack material PZT thin films are synthetized and analyzed. The thin films are polarized by DC-voltage, and then the changes of cation concentrations are analyzed by ToF-SIMS. Based on the results it can be concluded that lead vacancies are mobile at given temperatures under field, furthermore, polarization generates space charge layers at grain boundaries.