Neuartige piezoelektrische Strukturen für eine fortschrittliche Elektronik

Im Rahmen des PIRAMID-Projekts wurden neue piezolelektrische (PZT) Strukturen mit außergewöhnlichen Eigenschaften entwickelt, die eine neue Gerätegeneration hervorbringen werden.

Konventionelle PZT-Materialien erwiesen sich als möglicherweise unzureichend in Bezug auf die Anforderungen moderner Aktorenanwendungen. Solche Geräte stellen an piezoelektrische und elektromechanische Kopplungskoeffizienten sowie an die dielektrische Permittivität hohe Anforderungen.

Um diesen Bedarf zu decken, wurde im Rahmen des PIRAMID-Projekts eine Vielzahl fester relaxor-ferroelektrischer Lösungen ausgiebig untersucht. Dabei konzentrierte man sich auf die Verbesserung ihrer Eigenschaften. Durch die Übernahme der neuartigen Pulververarbeitungsverfahren nutzen die Forscher neue Vorbereitungsmethoden für strukturierte Keramikmaterialien.

Zu einem der wichtigsten Projektergebnisse zählen innovative piezoelektrische Strukturen, d.h. das relaxor-basierte System Pb[(Ni_1/3 Nb_2/3)_x Zr_y Ti_1-x-y ]O_3, im Allgemeinen PNNZT genannt. Diese Neuheit zeichnet sich durch eine äußerst hohe Permittivität und Kopplung aus, wobei mittels Dotierung dielektrische und mechanische Verluste vermindert wurden.

Das PNNZT ist für Anwendungen ideal, die eine einzigartige Kombination der herkömmlichen weichen und harten PZT-Eigenschaften erfordern. Dabei eignet sich seine hohe Permittivität zur elektrischen Impedanzanpassung und seine hohe Empfindlichkeit für eine gute Effizienz bzw. ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis.

Außerdem machen die gezeigten geringen dielektrischen und mechanischen Verluste dieses Material eventuell zu einem perfekten Kandidaten für hochleistungsfähige Betriebsanwendungen. Zu den Hauptanwendungsbereichen der PNNZT-Materialien gehören auf Hochintensität gerichteter Ultraschall, Unterwasserakustik und medizinische Diagnostik. Das neue Material wird bereits unter der Artikelnummer Pz54 vermarktet.

Im Rahmen des PIRAMID-Projekts wurden auch die Möglichkeiten für die Entwicklung von Materialien mit geringem Bleigehalt bzw. bleifreien Materialien geprüft. Erreicht wird dies, indem Blei durch das weniger giftige Bismut ersetzt wird. So können umweltfreundlichere Strukturen als die konventionellen PZTs erzeugt werden. Somit ist das neue System der allgemeinen Form von BiMe-PT eine feste Lösung aus BiMeO3 und PbTiO3.

Die BiMe-PT-Strukturen wurden so entwickelt, dass die Grundstoffkosten minimal gehalten werden können, um kostengünstige Strukturen zu erzeugen. Diese weisen äußerst interessante Eigenschaften auf wie hohe piezoelektrische Koeffizienten, freie relative Permittivität und Dicke-Kopplungsfaktor.

Eine der BiMe-PT-Strukturen ist durch einen sehr hohen Curie-Punkt gekennzeichnet, der durch die Betriebstemperatur begrenzt wird, die einen einschränkenden Faktor für weitere Untersuchungen darstellt. Es wird jedoch erwartet, dass die zukünftige Arbeit mit Dotiermitteln dieses Hindernis aus dem Weg räumt und so ein neues Material hervorbringt, das die Lücke zwischen PZT und den Aurivillius-Verbindung (zweischichtige Oxide) schließt.