Dynamics of strain and domains in single crystal and ceramic ferroelectrics under an alternating electric field using stroboscopic time-resolved X-ray diffraction

Abstract

It is known that the dynamics of ferroelectric materials can be seen over a range of macroscopic, microscopic, and mesoscopic length scales. Thus, the response time of ferroelectrics due to an external perturbation will change on each specific length scale. In particular, the atomic dynamics occurs much faster compared to the response of the macroscopic lattice, whereas time scales of mesoscopic dynamics are a mixture ranging from the nano- to the milli-second regime. Developing an experimental method that covers multiple time scales allows for selective identification of the specific changes on each time scale and their influence on the ferroelectrics. If an experimental approach can be developed with multiple time resolutions, the response of the ferroelectrics can be selectively identified the dominant time and length scales under an external perturbation. Stroboscopic time-resolved X-ray diffraction is a very powerful tool to probe dynamical changes in ferroelectrics. Using a multi-channel analyzer data-acquisition system with nanosecond time resolution opens the possibility of observing the dynamics of ferroelectrics on multiple length scales. This state-of-the-art method allows for a better understanding of the dynamic processes in ferroelectrics and provides new insights for the design of advanced (e.g. smart and environmentally friendly) functional materials. The development of the new data-acquisition systems and their applications in stroboscopic time-resolved X-ray diffraction are described in Chapter 4. Chapter 5 studies the relationship between the piezoelectricity and the polarization rotation of Na0.5Bi0.5TiO3 (NBT) single crystal under an alternating electric field using synchrotron-based time-resolved high-resolution reciprocal space mapping. Chapter 6 investigates the origin of the enhanced piezoelectric activity in uniaxial Sr0.5Ba0.5Nb2O6 (SBN50) ferroelectrics. Chapter 7 discusses the mechanism of the electric field-induced polarization reversal and strain in perovskite-based 0.94BaTiO3-0.06BiZn0.5Ti0.5O3 (BT-BZT) ferroelectric ceramics under an alternating electric field using stroboscopic time-resolved high-energy X-ray powder diffraction.

Es ist bekannt, dass die Dynamik von ferroelektrischen Materialien über eine Reihe von makroskopischen, mikroskopischen und mesoskopischen Längenskalen beobachtet werden kann. Deshalb ändert sich die Ansprechzeit der Ferroelektrika aufgrund einer externen Störung auf jeder der spezifischen Längenskalen. Insbesondere tritt die Dynamik des atomaren Gitters im Vergleich zur Antwort des makroskopischen Gitters wesentlich schneller auf, während die Zeitskalen der mesoskopischen Dynamik im Bereich von Nano- bis zu Milli-Sekunden liegen. Die Entwicklung einer experimentellen Methode, die multiple Zeitskalen umfasst, ermöglicht die selektive Identifikation der spezifischen Änderungen auf jeder Der genannten Zeitskalen und ihrem Einfluss auf das Ferroelektrikum. Wenn es gelänge, einen experimentellen Ansatz mit den multiplen Zeitauflösungen zu entwickeln, Könnte man die jeweils dominante Zeit- und Längenskala für die Antwort der Ferroelektrika unter Einfluß einer externen Störung selektiv Identifizieren. In dieser Arbeit wird gezeigt, daß die strobiskopische zeitaufgelöste Röntgenbeugung ein sehr mächtiges Instrument ist, um dynamische Änderungen in Ferroelektrika zu untersuchen. Die Verwendung eines Mehrkanal-Analysator-Datenerfassungssystems mit Nanosekunden-Zeitauflösung eröffnet die Möglichkeit, um die Dynamik der Ferroelektrika auf multiplen Längenskalen zu beobachten. Diese hochmoderne Methode ermöglicht ein besseres Verständnis der dynamischen Prozesse in Ferroelektrika und bietet eine neue Einsicht in das Design fortschrittlicher (z. B. intelligenter und umweltfreundlichen) Funktionsmaterialien. Die Entwicklungen von neuen Datenerfassungssystemen und ihre Anwendungen in der stroboskopischen zeitaufgelösten Röntgenbeugung werden in Kapitel 4 beschrieben. Kapitel 5 diskutiert die Beziehung zwischen Piezoelektrizität und Polarisationsrotation von Na0.5Bi0.5TiO3 (NBT) Einkristallen unter einem alternierenden elektrischen Feld mit Hilfe Synchrotron-basierter, zeitaufgelöster und hochauflösender reziproker Gitterkarten. Kapitel 6 zeigt den Ursprung der verstärkten piezoelektrischen Aktivität in uniaxialen Sr0.5Ba0.5Nb2O6 (SBN50) Ferroelektrika. Kapitel 7 beschreibt der Mechanismus der elektrischen Feld-induzierten Polarisationsumkehr und die Dehnung in Perovskit-basierten 0.94BaTiO3-0.06BiZn0.5Ti0.5O3 (BT-BZT) ferroelektrischen Keramiken, unter einem alternierenden elektrischen Feld bei gleichzeitiger Verwendung der stroboskopischen zeitaufgelösten hochenergetischen Röntgenpulverbeugung.