Herstellung und Charakterisierung dielektrischer und ferroelektrischer Komposite

Abstract

Niedrigtemperaturprozessierbare ferroelektrische Materialien werden für zukünftige Anwendungen auf flexiblen temperaturempfindlichen Substraten benötigt. Bisher werden meist organische Polymere für solche Anforderungen eingesetzt. Da Keramiken diesen in ihren funktionellen Eigenschaften jedoch deutlich überlegen sind, eröffnen Komposite, in denen ferroelektrische Keramikpartikel in dielektrische Polymere eingebettet werden, die Chance einer Kombination der Eigenschaften beider Materialklassen. Solche Komposite sind als dielektrische Schichten oder ferroelektrische Datenspeicher, z. B. in der gedruckten Elektronik, von großem Interesse. Für dielektrische Schichten werden sie daher bereits seit längerem untersucht. Dennoch kann in dieser Arbeit durch gezielte Optimierung ein druckbares Komposit mit einer Dielektrizitätskonstante (ec = 182) vorgestellt werden, das bisherige industrielle Lösungen übertrifft. Neben den dielektrischen Eigenschaften wird erstmalig gezeigt werden, dass solche partikulären Systeme auch ferroelektrisch polarisierbar sind. Die dazu vorgestellte Messmethode ermöglicht interessante Einblicke in die Zusammenhänge, die die ferroelektrische Polarisation solcher Komposite beeinflussen. Ein erster Ansatz für eine Mischungsregel dieser Polarisation bietet ebenso wie die beobachtete Instabilität der ferroelektrischen Polarisation in solchen Kompositen interessante Anknüpfungspunkte für zukünftige Untersuchungen.

Low temperature processable ferroelectric materials are highly requested for applications on flexible temperature sensitive materials. To date, mainly organic polymers are used for that purpose. As ferroelectric ceramics have superior functional properties compared to organic polymers, the usage of ceramic/polymer composites, in which ferroelectric particles are embedded in a dielectric polymer, opens the opportunity to combine the exclusive properties of both material classes. Such composites are of large interest for applications as dielectric films or ferroelectric memories, for example in printed electronics. For dielectric applications, this composite approach is therefore already intensely investigated. However, in this work a printable dielectric composite is presented, exhibiting a dielectric constant (ec = 183), which exceeds present technically applicable ceramic- /polymer composite solutions. Beside these dielectric properties, the question whether such particulate ferroelectric structures can be ferroelectrically polarized at all, will be answered positively for the first time. The presented measurement setup reveals the dependencies, which govern the ferroelectric polarization of such composites. The observed instability of the ferroelectric polarization in such composites as well as the first entry in a mixing rule about ferroelectric polarizations in composites provide the basis for future works.