Bleifreie Piezokeramik mit verbesserter Temperaturstabilität für präzise Aktoren

Piezokeramiken werden vielfach in der Sensorik verwendet. Aber sie kommen auch als Aktoren in der nanometergenauen Positionierung, beispielsweise von Belichtungssystemen in der Halbleiterfertigung, in der hochauflösenden Mikroskopie oder in der Biotechnologie zum Einsatz. Etablierte Piezokeramiken basieren bisher auf Bleizirkonat-Titanat. Die Synthese, Verarbei­tung und spätere Entsorgung der bleihaltigen Komponenten geht mit Risiken für Umwelt und Gesundheit einher, weshalb in der EU und weltweit strenge Vorschriften gelten und nur Aus­nahmeregelungen die Verwendung gestatten.

Am Fraunhofer IKTS wird gemeinsam mit der PI Ceramic GmbH an bleifreien Alternativwerkstoffen geforscht. Das System (K,Na)NbO₃ (KNN) bietet gute Voraussetzungen als Aktorwerk­stoff: In den vergangenen Jahrzehnten wurden hohe Dehnun­gen in Piezokeramiken erzielt – eine Voraussetzung für den Piezoeffekt. Die Kristallstruktur der entwickelten KNN-Keramik ändert sich jedoch mit steigender Temperatur. Die ideale Deh­nung wurde anfangs nur in einem kleinen Temperaturintervall im Bereich des Strukturwechsels erzielt (Abb.1). Für hochge­naue Positioniersysteme ist aber ein stabiles Dehnungsverhal­ten bei sich verändernden Temperaturen essenziell. Durch gezielte Bildung von Mischkristallen und optimierte Dotierun­gen konnte der Temperaturbereich des Phasenübergangs im Kristallsystem deutlich verbreitert werden, ohne relevante Ver­ringerung der piezoelektrischen Dehnung. Im Ergebnis der Ent­wicklungsarbeiten stehen mehrere optimierte Werkstoffe mit stabilem Dehnungsverhalten von Raumtemperatur bis über 100 °C zur Verfügung (Abb. 1). Damit ist ein großer Fortschritt für zukünftige Positioniersysteme mit bleifreien Piezowerkstof­fen gelungen.

Die erarbeiteten KNN-Zusammensetzungen sintern bei Temperaturen um 1200 °C. Die Senkung der Sintertemperatur wurde aus verschiedenen Gründen zur Etablierung der KNN-Hochleis­tungskeramik verfolgt:

• Bessere Prozesskontrolle durch geringere Abdampfung flüchtiger Bestandteile beim Sintern
• Verringerung des Energiebedarfs im Prozess
• Verringerung der Kosten durch Kompatibilität mit günstige­ren Metallisierungen der Mehrlagen-Keramiken

Um diese Ziele zu erreichen, wurden verschiedene Sinterhilfen, darunter CuO, ZnO oder Li₂CO₃, zugegeben. Die meisten Kom­binationen von angepasster KNN-Keramik und Sinterhilfen füh­ren zu Beeinträchtigungen. Besonders die maximale Dehnung verringert sich empfindlich. Daher ist es notwendig, für jeden der optimierten Werkstoffe eine speziell angepasste Kombina­tion mit Sinterhilfsstoffen einzusetzen. So kann die Sintertem­peratur der temperaturstabilen Piezowerkstoffe bei ausge­zeichneten Dehnungseigenschaften um bis zu 100 K gesenkt werden. Zukünftige Herausforderungen sind die Skalierung zu größeren Probenkörpern und die Langzeitstabilität der neuen Werkstoffe.

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF für die finanzielle Unterstützung im Rahmen der Förderinitiative RUBIN (FKZ: 03RU1U162E).