High-Temperature Lead-Free Ferroelectrics based on Tungsten Bronzes

Gjennom den såkalte direkte piezoelektriske effekt kan et elektrisk felt genereres ved å anvende en mekanisk kraft. Tilsvarende kan et elektrisk felt generere mekanisk bevegelse via den omvendte piezoelektriske effekten. Den direkte og omvendte piezoelektriske effekt kan benyttes i sensorer og aktuatorer, to elektriske komponenter vi omgås daglig i vår digitale hverdag. Piezoelektriske materialer, inklusive ferroelektriske materialer, er i dag basert på materialer bestående av hovedsakelig blyoksid sammen med titan- og zirkonium-oksid. Blys miljømessige utfordringer knyttet til prosessering av materialer ved høye temperaturer samt elektronisk avfall har resultert i en intens forskningsaktivitet de to siste tiår for å finne alternative ferroelektriske materialer basert på andre elementer enn bly. Målet med dette prosjektet er å utvikle en ny type blyfrie piezoelektriske/-ferroelektriske materialer, som også kan anvendes ved høye temperaturer og derved har et anvendelsespotensiale i prosess- og bilindustri. Prosjektet er basert på en veletablert mekanisme for å øke ytelsen i blyholdige materialer. Denne ideen har blitt utforsket i blyfrie system tidligere, men da kun i materialsystem med en krystallstruktur lik mineralet perovskitt. Her vil samme prinsipielle mekanisme bli benyttet, men på et materialsystem med en helt annen krystallstruktur. Det vil også bli undersøkt om det er mulig og inkorporere magnetiske elementer inn i samme krystallstruktur. Om dette lykkes vil dette åpne opp for oppdagelse av nye multiferroiske materialer, materialer hvor en kombinerer ferroelektriske og ferromagnetiske egenskaper.

Ferroelectric materials have unique electrical properties utilized in modern electronics such as sensors and actuators. State-of-the-art ferroelectric/piezoelectric components and devices are based on lead-containing PbZr1-xTixO3 (PZT). The search for lead-free alternatives to PZT has become a major topic in functional materials research due to legislation in many countries that restricts the use of lead alloys and compounds in commercial products. Although there are positive signs that lead-free ferroelectric materials start to penetrate the marked, there is still a great need for research in this field. So far the tremendous effort worldwide to develop lead-free alternatives to PZT has mainly focused perovskite oxides and surprisingly far less attention have been spent on tungsten bronzes and other types of polar materials. The unexplored potential to utilize tungsten bronze solid solutions as lead-free alternatives to PZT constitute the basis for this project. A morphtropic phase boundary (MPB) is proposed in tungsten bronze solid solutions due to the presence of the two fundamental different polarization mechanisms in tungsten bronzes, which give rise to both in-plane and out-of-plane polarization with respect to c-axis of crystal structure. The two compounds K4Bi2Nb10O30 and Ba2Na4Nb10O30 are proposed as two possible endmembers of the solid solution with the potential to demonstrate a MPB in lead-free tungsten bronze system. The two endmember have both a high Curie temperature, which open up for high temperature applications. A compositional approach, accompanied by first principles calculations, will be applied to tailor the ferroelectric/piezoelectric properties of the two endmembers. The ferroelectric/piezoelectric properties of tailor-made compositions in the vicinity of the MPB will be explored, particularly at elevated temperatures, in order to demonstrate the potential of the lead-free tungsten bronze materials for high temperature applications.