Orienting anisometric pores in ferroelectrics:Piezoelectric property engineering through local electric field distributions

Ferroelectrics are a technologically important class of materials that are used in actuators, sensors, transducers, and memory devices. Introducing porosity into these materials offers a method of tuning functional properties for certain applications, such as piezo- and pyroelectric sensors and energy harvesters. However, the effect of porosity on the polarization switching behavior of ferroelectrics, which is the fundamental physical process determining their functional properties, remains poorly understood. In part, this is due to the complex effects of porous structure on the local electric field distributions within these materials. To this end, freeze-cast porous lead zirconate titanate (PZT) ceramics were fabricated with highly oriented, anisometric pores and an overall porosity of 34 vol.%. Samples were sectioned at different angles relative to the freezing direction, and the effect of pore angle on the switching behavior was tracked by measuring simultaneously the temporal polarization and strain responses of the materials to high-voltage pulses. Finite-element modeling was used to assess the effect of the pore structure on the local electric field distributions within the material, providing insight into the experimental observations. It is shown that increasing the pore angle relative to the applied electric field direction decreases the local electric field, resulting in a reduced domain-wall dynamic and a broadening of the distribution of switching times. Excellent longitudinal piezoelectric (d33 = 630 pm/V) and strain responses (Sbip = 0.25% and Sneg = 0.13%, respectively), comparable to the dense material (d33 = 648 pm/V, Sbip = 0.31%, and Sneg = 0.16%), were found in the PZT with anisometric pores aligned with the poling axis. Orienting the pores perpendicular to the poling axis resulted in the largest reductions in the effective permittivity (εσ33= 200 compared to εσ33= 4100 for the dense PZT at 1 kHz), yielding the highest piezoelectric voltage coefficient (g33 = 216×10−3 Vm/N) and energy-harvesting figure of merit (d33g33 = 73×10−12 m2/N). These results demonstrate that a wide range of application-specific properties can be achieved by careful control of the porous microstructure. This work provides an understanding of the interplay between the local electric field distribution and polarization reversal in porous ferroelectrics, which is an important step towards further improving the properties of this promising class of materials for sensing, energy harvesting, and low-force actuators

Multi-step stochastic mechanism of polarization reversal in rhombohedral ferroelectrics

A stochastic model for the field-driven polarization reversal in rhombohedral ferroelectrics is developed, providing a description of their temporal electromechanical response. Application of the model to simultaneous measurements of polarization and strain kinetics in a rhombohedral Pb(Zr,Ti)O3 ceramic over a wide time window allows identification of preferable switching paths, fractions of individual switching processes, and their activation fields. Complementary, the phenomenological Landau-Ginzburg-Devenshire theory is used to analyze the impact of external field and stress on switching barriers showing that residual mechanical stress may promote the fast switching.Comment: 33 pages, 9 figure

Tierschutzindikatoren für die betriebliche Eigenkontrolle – Impulse für die Ökologische Landwirtschaft

Gemäß Tierschutzgesetz müssen Nutztierhalter*innen seit 2014 im Rahmen einer betrieblichen Eigenkontrolle überprüfen, ob sie ihre Herden tiergerecht halten. Eine Möglichkeit dieser Pflicht beizukommen ist die Verwendung der KTBL-Tierschutzindikatoren für Rinder, Geflügel und Schweine. In dem Forschungsvorhaben „EiKoTiGer – Eigenkontrolle Tiergerechtheit“ („Praxistauglichkeit von Tierschutzindikatoren bei der betrieblichen Eigenkontrolle, Erarbeitung eines Orientierungsrahmens sowie technische Umsetzung in digitalen Anwendungen“) wird derzeit bundesweit auf insgesamt 120 Praxisbetrieben (Rind, Schwein und Geflügel) untersucht, ob die ausgewählten und in den KTBL-Leitfäden vorgeschlagenen Tierschutzindikatoren für die betrieblichen Eigenkontrollen praktikabel und sinnvoll einsetzbar sind. Das Ziel des Workshops ist es, mit Vertreter*innen aus Beratung, Praxis und Wissenschaft in einen Dialog zu treten, um gemeinsam den Nutzen und die Verwendbarkeit der Ergebnisse/Erkenntnisse aus dem „EiKoTiGer“-Projekt für die Ökologische Landwirtschaft zu diskutieren. In einem Impulsvortrag werden die Hintergründe, wie z.B. die Entstehungsgeschichte der KTBL-Tierschutzindikatoren-Leitfäden erläutert. Außerdem wird ein kurzer Einblick gegeben, wie tierbezogene Indikatoren bereits von den Anbauverbänden für die Tierwohl-Kontrolle in der Ökologischen Landwirtschaft eingesetzt werden. Anschließend werden mit den Workshopteilnehmer*innen in kleinen Gruppen drei Themenbereiche betrachtet und diskutiert (Auswahlprozedere der Indikatoren, praktische Anwendung der Indikatoren, Schulungskonzepte). Am Ende der Diskussionsrunden werden die Ergebnisse für alle Teilnehmer*innen zusammengefasst

Insulating improper ferroelectric domain walls as robust barrier layer capacitors

We report the dielectric properties of improper ferroelectric h-ErMnO$_3$. From the bulk characterisation we observe a temperature and frequency range with two distinct relaxation-like features, leading to high and even 'colossal' values for the dielectric permittivity. One feature trivially originates from the formation of a Schottky barrier at the electrode-sample interface, whereas the second one relates to an internal barrier layer capacitance (BLC). The calculated volume fraction of the internal BLC (of 8 %) is in good agreement with the observed volume fraction of insulating domain walls (DWs). While it is established that insulating DWs can give rise to high dielectric constants, studies typically focused on proper ferroelectrics where electric fields can remove the DWs. In h-ErMnO$_3$, by contrast, the insulating DWs are topologically protected, facilitating operation under substantially higher electric fields. Our findings provide the basis for a conceptually new approach to engineer materials exhibiting colossal dielectric permittivities using domain walls in improper ferroelecctrics with potential applications in electroceramic capacitors.Comment: 7 pages, 4 figure

Pressure control of nonferroelastic ferroelectric domains in ErMnO3

Mechanical pressure controls the structural, electric, and magnetic order in solid-state systems, allowing tailoring of their physical properties. A well-established example is ferroelastic ferroelectrics, where the coupling between pressure and the primary symmetry-breaking order parameter enables hysteretic switching of the strain state and ferroelectric domain engineering. Here, we study the pressure-driven response in a nonferroelastic ferroelectric, ErMnO3, where the classical stress–strain coupling is absent and the domain formation is governed by creation–annihilation processes of topological defects. By annealing ErMnO3 polycrystals under variable pressures in the MPa regime, we transform nonferroelastic vortex-like domains into stripe-like domains. The width of the stripe-like domains is determined by the applied pressure as we confirm by three-dimensional phase field simulations, showing that pressure leads to oriented layer-like periodic domains. Our work demonstrates the possibility to utilize mechanical pressure for domain engineering in nonferroelastic ferroelectrics, providing a lever to control their dielectric and piezoelectric responses

Bewertung des Tierwohls bei der betrieblichen Eigenkontrolle – Erarbeitung eines Orientierungsrahmens mit Ziel- und Alarmwerten auf Basis einer Delphi-Befragung

Um Tierhalter bei der Einordnung ihrer Ergebnisse aus einer betrieblichen Eigenkontrolle zum Tierwohl ihrer Nutztiere zu unterstützen, wurde ein Orientierungsrahmen mit Ziel- und Alarmwerten für Tierschutzindikatoren erarbeitet. Ein erster Schritt in diesem Abstimmungsprozess war eine zweistufige Delphi-Befragung im Jahr 2018. Dabei wurden Experten aus Wissenschaft, Beratung, Verwaltung, Praxis, Erzeugerverbänden, Tierschutzverbänden, Veterinärwesen sowie Verarbeitern aus den Bereichen Rind, Schwein und Geflügel einbezogen. Die Rücklaufquoten lagen – differenziert nach Tierart – zwischen 19 und 36 %. Je abgefragtem Tierschutzindikator gingen für Rind bis zu 60, für Schwein bis zu 69 und für Geflügel bis zu 21 Vorschläge für Orientierungswerte ein. In einem mehrstufigen Prozess wurden die Ergebnisse der Delphi-Befragung mit Literaturergebnissen bzw. Daten aus Praxiserhebungen verglichen und, auf der Grundlage von Diskussionen in Expertengruppen, abschließend in teilweise modifizierter Form als Orientierungsrahmen vorgeschlagen. Hierfür werden einige Beispiele gegeben

Quantitative mapping of nanotwin variants in the bulk

Crystallographic twins are critical to the properties of numerous materials from magnesium alloys to piezoelectrics. Since the onset of the twin formation is highly sensitive to the triaxial mechanical boundary conditions, non-destructive bulk microscopy techniques are required. Elastic strains can be mapped via X-ray diffraction with a 100-200 nm resolution. However, the interplay of strains with nanotwins cannot be characterized. Here, a method based on dark-field X-ray microscopy to quantify the density of nanotwin variants with twin lamellae of sizes as small as several tens of nanometers in embedded subvolumes (70x200x600 nm³) in millimeter-sized samples is introduced. The methodology is corroborated by correlating the local density of twin variants to the long-ranging strain fields for a high-performance piezoelectric material. The method facilitates direct, in situ mapping and quantification of nanoscale structural changes together with their elastic driving fields, which is the key towards controlling and engineering material's performance at nanometric scales

Werkzeuge für betriebliche Eigenkontrollen zum Tierwohl

Tierhalter sollen das Wohlergehen ihrer Tiere regelmäßig und systematisch durch die Erfassung von Tierschutzindikatoren im Rahmen einer betrieblichen Eigenkontrolle überprüfen (§ 11 Absatz 8 TierSchG). Hierdurch können mögliche Tierwohlprobleme frühzeitig erkannt und Verbesserungsmaßnahmen eingeleitet werden. Für eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse einer betrieblichen Eigenkontrolle ist eine standardisierte Erhebung der Tierschutzindikatoren Voraussetzung. Ziel der Arbeiten war es, für die betriebliche Eigenkontrolle vorgeschlagene Indikatoren für Rind, Schwein und Geflügel in der landwirtschaftlichen Praxis auf ihre Praktikabilität zu überprüfen. Zum Erlernen der Anwendung der Indikatoren wurden eine Vor-Ort- und eine Online-Schulung für Tierhalter erarbeitet und getestet. Zur Unterstützung der Erhebung im Stall wurden Erhebungsbögen und eine Excel®-Anwendung erstellt. Weiterhin wurde unter Einbeziehung zahlreicher Experten in einem mehrstufigen Prozess (Delphi-Befragung, Literaturauswertung, Fachgespräche, Praxiserhebungen) ein Orientierungsrahmen mit Ziel- und Alarmwerten abgestimmt, mit dem Tierhalter ihre Ergebnisse vergleichen und einordnen können. Mittels abschließend durchgeführter Interviews wurden alle Werkzeuge evaluiert