Universität zu Köln

Woll, Michael (2014). Einkristallzüchtung und Charakterisierung von Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT) und (Bi0,5Na0,5)1−xBaxTiO3 (BNBT, xBa < 0,20). PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden Einkristalle von Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT) und (Bi0,5Na0,5)1−xBaxTiO3 (BNBT mit xBa < 0,2) über die TSSG-Methode mit {100}-Morphologie in <cm³>-Dimension gezüchtet. Der Wachstumsprozess wurde untersucht. Dabei wurde ein Masseverlust der volatilen Komponenten (Bi2O3 und Na2O) von insgesamt ca. 34mg/h festgestellt. Diese Verdampfungsrate kann als treibende Kraft für die Züchtung ausgenutzt werden. Damit ist die Synthese nahe des thermodynamischen Gleichgewichts möglich. Zusätzlich wurde die µPD-Methode in Kooperation mit dem Institut für Kristallzüchtung in Berlin getestet. Als Ergebnis entstanden Kristallfasern mit einer maximalen Länge von ca. 30cm und einem Durchmesser von ca. 1,5mm. Analytische Untersuchungen wurden mit Differential Scanning Calorimetry, Wärmekapazitätsmessungen, Elektronenstrahlmikrosonde, Rasterelektronenmikroskopie, Heiz-/Kühlmikroskopie und diffraktometrischen Methoden durchgeführt. Mit Hilfe von DSC-Messungen wurde für BNT eine Liquidustemperatur von ca. 1291°C bestimmt. BNT zeigt im ersten Heizzyklus kongruentes Schmelzverhalten. Durch eine verdampfungsbedingte Zusammensetzungsänderung ergeben sich im zweiten Heizzyklus Hinweise auf inkongruentes Schmelzen. Bei BNBT-Zusammensetzungen ist die Liquidustemperatur in etwa um 2K pro Prozentanteil Barium erniedrigt. Mikrosondenmessungen zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Kristalle ergaben ein mittleres Bi:Na-Verhältnis von 1:1,26 und damit eine deutliche Abweichung der Stöchiometrie. Für den Zusammenhang zwischen dem Ba-Gehalt in den BNBT-Kristallen und der Schmelzeinwaage (x-Kristall = F · x-Schmelze) konnte ein Faktor F = 0,63 bestimmt werden. Die Charakterisierung der ferroelektrischen Phasenübergänge zeigte komplexe, diffuse Umwandlungsbereiche von bis zu 150K. Diese konnten sowohl zwischen rhomboedrischer und tetragonaler als auch zwischen tetragonaler und kubischer Phase beobachtet werden. Außerdem ist eine Hysterese zwischen Heiz- und Kühlrichtung in diesen Bereichen erkennbar. Durch die Kaskade der Phasenumwandlungen und die komplizierte Domänenstruktur ist es problematisch, eindomänige Zustände in der Raumtemperaturphase zu realisieren. BNBT als einkristallines Material erscheint daher eher ungeeignet als potentielle Alternative für bleihaltige Piezoelektrika.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Single Crystal Growth and Characterization of Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) and (Bi0.5Na0.5)1−xBaxTiO3 (BNBT, xBa < 0.20) English
Translated abstract:	Abstract Language In this work single crystals of Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) and (Bi0.5Na0.5)1−xBaxTiO3 (BNBT with xBa < 0.2) with {100}-morphology in dimensions of <cm³> were grown using the TSSG-method. Investigations of the growth process were carried out. A weight loss of about 34mg/h of the volatile components was detected (Bi2O3 und Na2O). This evaporation rate can be used as the driving force for the growth process. Therefore, synthesis near the thermodynamic equilibrium is possible. Additionally, the µPD-method was tested in cooperation with the Institute of Crystal Growth, Berlin. Using this method, crystal fibers with a maximum length of about 30cm and diameters in the range of about 1.5mm could be obtained. Analytical investigations were carried out using differential scanning calorimetry, heat capacity measurements, electron microprobe analysis, scanning electron microscopy, heating/cooling microscopy and diffractive methods. In DSC-measurements the liquidus temperature was determined to be about 1291°C. BNT shows congruent melting behaviour in the first heating cycle. Due to compositional changes caused by evaporation, evidence for an incongruent melting seems to occur in the second heating cycle. For BNBT-compositions the liquidus temperature is reduced by about 2K for each percent of barium content. To determine the chemical composition of the crystals, electron microprobe analysis was used. It has shown an average Bi:Na distribution of 1:1.26, and therefore, a distinct deviation from stoichiometric composition. For the correlation of the Ba-content in BNBT-crystals and the melt composition (x-crystal = F · x-melt) a factor F = 0.63 was determined. Characterizations related to the ferroelectric phase transitions showed diffuse temperature regions up to 150K in between rhombohedral and tetragonal as well as tetragonal and cubic phase. A hysteresis behaviour between heating and cooling direction could be observed in this area. Due to the cascade of phase transitions and the complex domain structure it is difficult to obtain single domain states at room temperature. Therefore, BNBT seems to be rather unsuitable as a potential alternative for lead containing piezoelectric materials. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Woll, Michael michael.woll@gmx.net UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Universität zu Köln
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-56839
Date:	2014
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institut für Kristallographie
Subjects:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Kristallographie; Einkristallzüchtung; BNT; BNBT; Perowskit UNSPECIFIED
Date of oral exam:	2 July 2014
Referee:	Name Academic Title Mühlberg, Manfred Prof. Dr. Bohatý, Ladislav Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5683