CD-Labor for Ferroische Materialien

Ferroika sind funktionelle Materialien, deren physikalische Eigenschaften empfindlich auf Veränderungen von Temperatur, Druck, elektrischen und magnetischen Feldern reagieren. Die Beziehungen zwischen den Eigenschaften dieser Materialien und ihren chemischen Komponenten, den Herstellungsbedingungen sowie der Mikrostruktur stehen im Zentrum des Forschungsinteresses. Auf Basis der Vertiefung des Grundlagenwissens werden sie weiterentwickelt und für neue Einsatzgebiete optimiert.

Aufgrund ihrer herausragenden physikalischen Charakteristika finden sich ferroische Materialien in nahezu jedem elektronischen Gerät. Sie zeichnen sich durch Ferromagnetismus, Ferroelektrizität und Ferroelastizität aus, die sich unter bestimmten Umwelteinflüssen verändern. Unter hohen Temperaturen verschwindet etwa bei Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften die Polarisation, bei Materialien mit ferromagnetischen Eigenschaften die Magnetisierung.

Um die Einsatzbereiche von Ferroika zu erweitern und sie für moderne Technologien zum Einsatz zu bringen, wird im Rahmen der Forschungsarbeit ein grundlegendes Verständnis dieser Materialien erarbeitet. Dies umfasst die Untersuchung der ionischen und elektronischen Leitfähigkeit ebenso wie der Langzeitfolgen von Degradationsvorgängen in den Materialien. So wird auch erforscht, welche Prozesse die Lebenszeit und Belastbarkeit von Produkten bestimmen, die ferroische Materialien enthalten. Dazu zählen unter anderem keramische Werkstoffe, die essenzielle Bestandteile von Kondensatoren und Magnetkernen sind. Fortschrittliche Kraftstoff-Einspritzsysteme für Fahrzeuge enthalten z. B. Komponenten aus Piezo-Keramik. Das Potenzial dieses Werkstoffes entsteht jedoch erst durch die Wechselwirkungen seiner speziellen ferroelektrischen und ferroelastischen Eigenschaften. Deshalb ist Detailwissen über die Wechselbeziehungen unterschiedlicher ferroischer Eigenschaften von besonderem Interesse. Die Erarbeitung gänzlich neuer Koppelungen solcher Charakteristika stellt ein zentrales Ziel der Untersuchungen dar.

Im Rahmen der Forschungstätigkeiten gemeinsam mit der University of Birmingham entsteht die Basis für zukünftige Anwendungen von Ferroika in elektrokeramischen Bauelementen. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Entwicklung neuer Konzepte für die strukturelle Modifizierung der Materialien. Dabei finden die Optimierung der primären Eigenschaften und ihr Langzeitverhalten im elektrischen Feld Beachtung. Auch wird die Kompatibilität der Ferroika mit Metallen wie Silber, Palladium oder Kupfer detailliert erforscht. Solche Kombinationen werden in Metall-Keramik-Vielschichtsystemen angewendet. Nicht zuletzt liegt der Fokus auch auf der Untersuchung von Defekten in der Atomstruktur, um deren Auswirkungen auf die Funktionalität der Materialien zu analysieren. Damit wird eine Verbesserung und höhere Stabilität dieser Materialien unter elektrischer und thermischer Last erreicht.