Par souci de miniaturisation, nous assistons à l'émergence des microsystèmes de type MEMS (voir de type NEMS). L'objectif de ces travaux est d'étudier un matériau actif très prometteur pour ce type d'applications de part ses propriétés électromécaniques exceptionnelles: le PMN-PT. L'élaboration de couches minces de PMN-PT a été optimisée. L'étude montre qu'il est possible de cristalliser le PMN-PT dès 400°C quel que soit le pourcentage de PT, où le type d'électrode (TiOx/Pt et LNO) considéré. Une nucléation dans le volume du film a été mise en évidence et pourrait être à l'origine d'un mécanisme de cristallisation tout à fait atypique. La comparaison des performances diélectriques, ferroélectriques et électromécaniques du PMN-PT déposé sur TiOx/Pt (pulvérisation cathodique) et sur LNO (sol-gel), a permis de mettre en avant une forte dépendance de ces propriétés vis à vis de l'orientation et des interfaces films/électrode, en faveur des films déposés sur LNO. Le caractère relaxeur est d'autant plus présent que la température de recuit des films est optimale. Les dépôts de LNO par pulvérisation cathodique ont engendré un gain important sur les performances du PMN-PT, en particulier grâce à la réalisation d'électrodes supérieures. Ce point marque là aussi toute l'importance du rôle joué par les interfaces inférieures et supérieures dans la réponse globale de la structure électrode/PMN-PT/électrode. / For miniaturization considerations, emergence ofMEMS has been observed. The objective ofthis study is to examine a very promising active material for such applications, with exceptional e1ectromechanica1 properties: PMN-PT. The deve10pment of thin 1ayers of PMN-PT has been optimized. The study shows that it is possible to crystallize PMN-PT at 400 ° C independently of the considered PT percentage or bottom e1ectrode nature (TiOx / Pt and LNO). Volumic nucleation, which could be at the origin of a quite atypical crystallization mechanism, has been highlighted in thin films. The dielectric, ferroe1ectric and electromechanica1 performances comparison of PMN-PT deposited on TiOx / Pt (sputtering) and LNO (solgel), shows a strong dependence of these properties with respect to the orientation and interfaces films / electrode, with an advantage for films deposited on LNO. Relaxor behavior is more and more pronounced as annealing temperature becomes optimal. LNO Sputtering deposition have permit to improve PMN-PT performances, in particular through top electrodes achievement. This underline the importance of the role played by the interfaces in the overall response of the structure e1ectrode / PMN-PT / e1ectrode.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-04-29Bitstream added on 2014-06-13T20:47:02Z : No. of bitstreams: 1 rodrigues_dcm_me_ilha.pdf: 1395984 bytes, checksum: 5f52de55e2329a979bca9d5a8878bbb1 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / O presente trabalho realizou uma investigação acerca da síntese de filmes finos do sistema PMN-PT utilizando o método dos precursores óxidos, associado a uma resina polimérica resultado de uma reação de condensação entre o ácido cítrico e o etileno glicol, e algumas de suas variações a fim de investigar o impacto da rota de síntese empregada sobre as fases formadas nos filmes finos. O estudo do comportamento desta resina submetida a diversas temperaturas, através do uso da técnica de espectroscopia no infravermelho, apontou que para a rota de síntese proposta os metais são incorporados à resina polimérica através de fortes ligações coordenadas com os grupos carboxilas do ácido cítrico (COO-). Também mostrou que temperaturas acima de 400°C favorecem a decomposição da cadeia orgânica e a liberação destes metais, que podem reagir com o oxigênio formando uma fase cristalina. O uso da técnica de difratometria de raios-X para a investigação das fases formadas nos filmes finos produtos de diversas modificações na síntese, apontou principalmente a dificuldade em obter os filmes livres de fases secundárias, como pirocloro, MgNb2O3,67, Mg3Nb6O11 e Pb3O4. Os principais fatores levantados para o aparecimento destas fases são: sublimação de metais como Pb e Mg levando a mudanças na estequiometria, excesso de matéria orgânica que acarreta numa pirólise descontrolada da cadeia polimérica levando à formação de aglomerados. A composição do polímero (razão ácido cítrico:etilenoglicol) pode favorecer a formação da fase desejada. Salientando ainda que os tratamentos térmicos tem importante colaboração na formação de fases, pois a diminuição do tempo durante o qual a amostra fica exposta a uma determinada temperatura pode ajudar na formação da fase desejada. O estudo desta rota de síntese forneceu filmes finos com a fase perovskita, porém... / This study conducted a research on the synthesis of PMN-PT thin films using the method of precursor oxides and some of its variants to investigate the impact of the route of synthesis employed on the phases formed in thin films. The behavior of the polymeric resin, subjected to different heat treatments, was investigated by infrared spectroscopy, showed that for the proposed route of synthesis the metals are incorporated into the polymeric resin through strong coordinated bonds with the hydroxyl group of citric acid (COO-). Temperatures above 400°C promote the pyrolysis of polymer and the release of these metals, which react with oxygen and form a crystalline phase for investigation of phases formed in thin films from changes in the synthesis, the X-ray diffraction technique was used. Mainly pointed to the difficulty to get thin films free of secondary phases, as pyrochlore, MgNb2O3,67, Mg3Nb6O11 and Pb3O4. The major factors for the appearance of these phases are: sublimation of metals such as Pb and Mg leading to losses in the composition, uncontrolled pyrolysis of a polymer chain caused by excess of the organic matter, that lead to form clusters. The composition of the polymer (ratio citric acid: ethylene glycol) may promote the perovskite phase formation. Emphasizing, the heat treatment has an important relationship on formation of phases, because the decrease of the time which the sample is exposed to heat can lead to form the desired phase, as could be observed. These route of synthesis lead to formation of perovskite phase in thin films, but the secondary phases elimination, including pirocloro, still need to be more investigated.

Orientador: Eudes Borges de Araújo / Banca: Jean Richard Dasnoy Marinho / Banca: Fenelon Martinho Lima Pontes / Resumo: O presente trabalho realizou uma investigação acerca da síntese de filmes finos do sistema PMN-PT utilizando o método dos precursores óxidos, associado a uma resina polimérica resultado de uma reação de condensação entre o ácido cítrico e o etileno glicol, e algumas de suas variações a fim de investigar o impacto da rota de síntese empregada sobre as fases formadas nos filmes finos. O estudo do comportamento desta resina submetida a diversas temperaturas, através do uso da técnica de espectroscopia no infravermelho, apontou que para a rota de síntese proposta os metais são incorporados à resina polimérica através de fortes ligações coordenadas com os grupos carboxilas do ácido cítrico (COO-). Também mostrou que temperaturas acima de 400°C favorecem a decomposição da cadeia orgânica e a liberação destes metais, que podem reagir com o oxigênio formando uma fase cristalina. O uso da técnica de difratometria de raios-X para a investigação das fases formadas nos filmes finos produtos de diversas modificações na síntese, apontou principalmente a dificuldade em obter os filmes livres de fases secundárias, como pirocloro, MgNb2O3,67, Mg3Nb6O11 e Pb3O4. Os principais fatores levantados para o aparecimento destas fases são: sublimação de metais como Pb e Mg levando a mudanças na estequiometria, excesso de matéria orgânica que acarreta numa pirólise descontrolada da cadeia polimérica levando à formação de aglomerados. A composição do polímero (razão ácido cítrico:etilenoglicol) pode favorecer a formação da fase desejada. Salientando ainda que os tratamentos térmicos tem importante colaboração na formação de fases, pois a diminuição do tempo durante o qual a amostra fica exposta a uma determinada temperatura pode ajudar na formação da fase desejada. O estudo desta rota de síntese forneceu filmes finos com a fase perovskita, porém... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This study conducted a research on the synthesis of PMN-PT thin films using the method of precursor oxides and some of its variants to investigate the impact of the route of synthesis employed on the phases formed in thin films. The behavior of the polymeric resin, subjected to different heat treatments, was investigated by infrared spectroscopy, showed that for the proposed route of synthesis the metals are incorporated into the polymeric resin through strong coordinated bonds with the hydroxyl group of citric acid (COO-). Temperatures above 400°C promote the pyrolysis of polymer and the release of these metals, which react with oxygen and form a crystalline phase for investigation of phases formed in thin films from changes in the synthesis, the X-ray diffraction technique was used. Mainly pointed to the difficulty to get thin films free of secondary phases, as pyrochlore, MgNb2O3,67, Mg3Nb6O11 and Pb3O4. The major factors for the appearance of these phases are: sublimation of metals such as Pb and Mg leading to losses in the composition, uncontrolled pyrolysis of a polymer chain caused by excess of the organic matter, that lead to form clusters. The composition of the polymer (ratio citric acid: ethylene glycol) may promote the perovskite phase formation. Emphasizing, the heat treatment has an important relationship on formation of phases, because the decrease of the time which the sample is exposed to heat can lead to form the desired phase, as could be observed. These route of synthesis lead to formation of perovskite phase in thin films, but the secondary phases elimination, including pirocloro, still need to be more investigated. / Mestre

Die Bedeutung von keramischen Materialien mit funktionalen Eigenschaften ist über die letzten Jahrzehnte kontinuierlich gestiegen. Ein besonderes Interesse liegt dabei in der elektronischen Speicherung von Informationen. Die Realisierung war jedoch lange Zeit problematisch, da die erforderlichen Feldstärken, die notwendig sind, um die Polarisation zu schalten, für Massivmaterialien zu hoch sind. Heutzutage ist dies dank moderner Dünnschichttechnologien kein Problem mehr, so dass nichtflüchtige ferroelektrische Datenspeicher kommerziell verfügbar sind. Aufgrund der ausgezeichneten dielektrischen und elektromechanischen Eigenschaften von ferroelektrischen Materialien werden diese auch für Anwendungen in Aktuatoren, Kondensatoren oder mikro-elektro-mechanischen Systemen verwendet. Neben den klassischen Ferroelektrika wie Pb(Zr,Ti)O3 spielen dabei vor allem Relaxor-Ferroelektrika wie Pb(Mg1/3Nb2/3O3-PbTiO3 (PMN-PT) eine entscheidende Rolle. Eine weitere sehr interessante funktionale Eigenschaft von ferroelektrischen Materialien, die besonders in den letzten zehn Jahren das Forschungsinteresse geweckt hat, ist der elektrokalorische Effekt (electro caloric effect, ECE). Besonders hohe ECE konnten in der Vergangenheit mit Blei-basierenden Materialien, wie beispielsweise PMN-PT, erzielt werden. Um den Einfluss der Struktur auf die funktionalen Eigenschaften zu untersuchen ist es vorteilhaft, mit texturierten Schichten zu arbeiten. Als Materialsystem wurde in dieser Arbeit PMN-PT verwendet, da dieses besonders gute ferroelektrische und elektrokalorischen Eigenschaften zeigt und es aufgrund der vielfältigen veröffentlichten Untersuchungen als Modellsystem genutzt werden kann. Als geeignete Herstellungsmethode von Dünnschichten komplexer Oxide hat sich die gepulste Laserabscheidung herausgestellt, die auch in dieser Arbeit genutzt wurde. Die Schwerpunkte der strukturellen Untersuchungen beschäftigen sich mit der Stabilisierung der Perowskit-Phase des PMN-PT, der detaillierten Aufklärung des Gefüges sowie der Realisierung von Schichten mit unterschiedlicher Orientierung und auf verschiedenen Substratmaterialien. Hinsichtlich der funktionalen Eigenschaften wird auf den Einfluss der Pyrochlor-Phase auf die Ferroelektrizität, die Anisotropie der ferroelektrischen und elektrokalorischen Eigenschaften sowie auf eine Möglichkeit der direkten Messung der elektrokalorischen Temperaturänderung von PMN-PT Dünnschichten eingegangen.

Die Bedeutung von keramischen Materialien mit funktionalen Eigenschaften ist über die letzten Jahrzehnte kontinuierlich gestiegen. Ein besonderes Interesse liegt dabei in der elektronischen Speicherung von Informationen. Die Realisierung war jedoch lange Zeit problematisch, da die erforderlichen Feldstärken, die notwendig sind, um die Polarisation zu schalten, für Massivmaterialien zu hoch sind. Heutzutage ist dies dank moderner Dünnschichttechnologien kein Problem mehr, so dass nichtflüchtige ferroelektrische Datenspeicher kommerziell verfügbar sind. Aufgrund der ausgezeichneten dielektrischen und elektromechanischen Eigenschaften von ferroelektrischen Materialien werden diese auch für Anwendungen in Aktuatoren, Kondensatoren oder mikro-elektro-mechanischen Systemen verwendet. Neben den klassischen Ferroelektrika wie Pb(Zr,Ti)O3 spielen dabei vor allem Relaxor-Ferroelektrika wie Pb(Mg1/3Nb2/3O3-PbTiO3 (PMN-PT) eine entscheidende Rolle. Eine weitere sehr interessante funktionale Eigenschaft von ferroelektrischen Materialien, die besonders in den letzten zehn Jahren das Forschungsinteresse geweckt hat, ist der elektrokalorische Effekt (electro caloric effect, ECE). Besonders hohe ECE konnten in der Vergangenheit mit Blei-basierenden Materialien, wie beispielsweise PMN-PT, erzielt werden. Um den Einfluss der Struktur auf die funktionalen Eigenschaften zu untersuchen ist es vorteilhaft, mit texturierten Schichten zu arbeiten. Als Materialsystem wurde in dieser Arbeit PMN-PT verwendet, da dieses besonders gute ferroelektrische und elektrokalorischen Eigenschaften zeigt und es aufgrund der vielfältigen veröffentlichten Untersuchungen als Modellsystem genutzt werden kann. Als geeignete Herstellungsmethode von Dünnschichten komplexer Oxide hat sich die gepulste Laserabscheidung herausgestellt, die auch in dieser Arbeit genutzt wurde. Die Schwerpunkte der strukturellen Untersuchungen beschäftigen sich mit der Stabilisierung der Perowskit-Phase des PMN-PT, der detaillierten Aufklärung des Gefüges sowie der Realisierung von Schichten mit unterschiedlicher Orientierung und auf verschiedenen Substratmaterialien. Hinsichtlich der funktionalen Eigenschaften wird auf den Einfluss der Pyrochlor-Phase auf die Ferroelektrizität, die Anisotropie der ferroelektrischen und elektrokalorischen Eigenschaften sowie auf eine Möglichkeit der direkten Messung der elektrokalorischen Temperaturänderung von PMN-PT Dünnschichten eingegangen.

Abstract In this thesis, dielectric and thermal behaviours due to the application of an electric field were studied in relaxor ferroelectric (1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT) and (1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PZN-PT) systems of great technological importance. Special attention was given to the behaviour of the electric-field-induced phase transitions and electrocaloric effect, which are closely related to the existing and potential applications. Reactive sintering or columbite methods were used to fabricate polycrystalline PMN-PT ceramics with various compositions (x=0−0.3). In addition, commercial PMN-PT single crystals with composition close to the morphotropic phase boundary region were used. A studied PZN-PT crystal composition was grown by solution gradient cooling technique. Materials were mainly studied by means of dielectric and direct temperature measurements. The electrocaloric effect observed in a ceramic PMN-PT system was found to show distinct maximum values close to the thermal depolarization temperatures with low electric fields. The temperature range and magnitude of the electrocaloric effect was significantly expanded to high temperatures with increasing electric fields due to the contribution of polar nanoregions. The maximum electrocaloric temperature change was in the range of 0.77−1.55 °C under an electric field of 50 kV/cm. In addition, temperature change measurements on depoled PMN-0.13PT ceramics demonstrated that the electrocaloric effect is accompanied with an irreversible part below its depolarization temperature due to hysteresis loss and a possible phase transition type response related to the evolution of the macroscopic polarization. An electric field application to the <001> and <011> directions in PMN-PT crystals was found to cause distinct anomalies in the dielectric and temperature change responses. These anomalies were attributed to the complex polarization rotation routes and different phase stability regions in the electric-field-temperature phase diagrams of PMN-PT. Furthermore, measurements on PMN-PT crystals provided the first direct indications of a temporarily reversed electrocaloric effect with an increasing electric field. In addition, the measured electrocaloric trends in PZN-PT crystal were reproduced by a simple lattice model and mean-field approximation around the transition temperature. This demonstrated that the electrocaloric effect is driven mainly by the dipolar entropy lowering. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkittiin dielektristen ominaisuuksien ja lämpötilan käyttäytymistä teknologisesti merkittävissä (1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT) ja (1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PZN-PT) ferrosähköisissä relaksorimateriaaleissa sähkökentän vaikutuksen alaisena. Tutkimuksen erityishuomion kohteena olivat sähköisesti indusoidut faasimuutokset sekä sähkökalorinen ilmiö, jotka liittyvät läheisesti nykyisiin sekä tulevaisuuden sovellutuksiin. Monikiteisiä PMN-PT keraamikoostumuksia (x=0−0,3) valmistettiin sekä reaktiivisella sintrauksella että kolumbiittimenetelmällä. Lisäksi tutkimuksessa käytettiin kaupallisia PMN-PT erilliskiteitä, joiden koostumus on lähellä morfotrooppista faasirajaa. Työssä käytetty PZN-PT erilliskide kasvatettiin jäähdyttämällä korkean lämpötilan liuoksesta. Materiaaleja tutkittiin pääosin lämpötilan ja dielektristen ominaisuuksien mittauksilla. Kun PMN-PT keraamisysteemiin kohdistettiin alhainen sähkökenttä, sähkökalorisen ilmiön selkeä maksimiarvo havaittiin lähellä materiaalin termistä depolarisaatiolämpötilaa. Suuremmilla sähkökentän arvoilla sähkökalorinen ilmiö voimistui ja sen lämpötila-alue laajeni korkeampiin lämpötiloihin polaaristen nanoalueiden kytkeytymisen vuoksi. Sähkökalorisen lämpötilamuutoksen maksimi vaihteli välillä 0,77−1,55 °C sähkökentän arvolla 50 kV/cm. Lisäksi lämpötilamittaukset depoolatulle PMN-0,13PT koostumukselle osoittivat, että sähkökalorisen ilmiön ohella materiaalissa esiintyy makroskooppisen polarisaation muodostumiseen liittyvä palautumaton lämpöenergia depolarisaatiolämpötilaa pienemmissä lämpötiloissa hystereesihäviön ja mahdollisen faasimuutoksen vaikutuksesta. PMN-PT erilliskiteiden dielektrisyys- ja lämpötilavasteessa havaittiin selkeitä muutoksia sähkökentän vaikuttaessa <001> ja <011> kidesuuntiin. Nämä muutokset ovat selitettävissä PMN-PT:n polarisaation kompleksisten rotaatiosuuntien ja erityyppisten sähkökenttä-lämpötila -faasidiagrammien stabiilisuusalueiden avulla. PMN-PT kiteiden mittauksissa havaittiin myös ensimmäinen suora osoitus väliaikaisesti käänteisestä sähkökalorisesta ilmiöstä sähkökentän kasvaessa. Lisäksi mitatut PZN-PT erilliskiteen sähkökaloriset ominaisuudet transitiolämpötilan läheisyydessä pystyttiin pääpiirteittäin mallintamaan käyttämällä yksinkertaista hilamallia ja keskimääräisen kentän approksimaatiota. Mallinnuksen mukaan sähkökalorinen ilmiö aiheutuu pääasiassa sähköisesti indusoidusta dipolientropian alenemisesta.

Ce travail propose l’utilisation d’un nouveau matériau, appelé PMN-PT, qui continue aider la miniaturisation des systèmes complexes, utilisés dans des différentes technologies. Le travail est présenté dans le cadre de collaboration entre deux projets, MIOP et ADMAN. Les besoins tient compte que les actionneurs soient capables de délivrer de haute déplacement tout en conservant la simplicité et la fiabilité du système. L’accent est mis sur la polyvalence de ce matériau piézo-électrique, PMN-PT, en raison de ses propriétés électro-mécanique. Le travail comprend un aperçu sur quoi influence les propriétés électro-mécaniques du PMN-PT. L’accent est mis sur deux différentes, mais très puissants coupes: anisotrope [011] et longitudinale [001], choisi pour grand déplacement et haute dynamique avec un volume petit. Pour le PMN-PT[001], une structure de type poutre a été étudié, avec un modèle amélioré pour prendre en compte les spécificités de matériel. Les déplacements et forces ont été trouvés d’ être supérieur `a un actionneur en PZT, similairement dimensionnée, tandis que avoir des non-linéarités réduites. Ceci est illustré avec une micro pince avec 6DDL. L’étude de PMN-PT [001] coupé longitudinal suit. Cette étude a été fait en utilisant PMNPT comme un actionneur avec une structure simple, facile à intégrer. Les résultats démontrent les améliorations PMN-PT peut apporter à micro-spectrométrie et la correction d’image avec des micromiroirmobiles. Un micro actionneur PMN-PT a été intégré dans une structure compatible avec des MOEMS et présenté. / This work proposes the use of a novel material, called PMN-PT, that futher aids the miniaturizationof complex systems used in different technologies. The work is presented within the collaborativeframework of two projects, MIOP and ADMAN. The end-needs account for actuators capable ofdelivering high displacement, while maintaining system simplicity and reliability. The focus is onthe versatility of the PMN-PT piezoelectric material, due to its electro-mechanical properties. Thework includes an overview on what influences the electro-mechanical properties focusing on twodifferent, though very potent cuts: anisotropic [011] and longitudinal [001]. They were chosen forgenerating large displacement and high dynamics with small volume. For PMN-PT[001] a cantileverstructure was studied, for which the model was improved taking into account the material specificities.Displacements and forces were found to be superior to a similarly dimensioned PZT actuator, whilsthaving reduced non-linearities. This is exemplified with a 6 DoF capable microgripper. The PMNPT[001] longitudinal cut based actuator study follows. This is done by using PMN-PT as a simple,easy to integrate, bulk actuator. The findings demonstrate the improvements PMN-PT can bringto micro-spectrometry and image correction with micro-mirror displacement. A bulk PMN-PT microactuator was integrated into a MOEMS compatible structure and presented.

Relaxor ferroelectric PZN-xPT and PMN-xPT single crystals exhibit extraordinary electromechanical properties. They are under development for applications in sensors, actuators and transducers. The polarization switching and phase transition behavior of PZN-4.5%PT and PMN-32%PT single crystals under external loading has been investigated. Experimental investigation elucidates the polarization switching and phase transition behavior of relaxor ferroelectric crystals at different orientation cuts under combined temperature, electric field and stress loading. These crystals exhibit strong orientation dependence of electromechanical properties, and the applied fields all affect the poling and phase states of the crystals. Based on experimental investigation, crystal variant modeling was developed to compute the piezoelectric properties of multi-domain crystals at different orientation cuts from a set of properties for the single domain. Thermodynamics and work-energy analysis of field induced phase transitions in these single crystals sheds light on the phase transition mechanism of ferroelectric crystals. Fracture behavior of relaxor single crystals under non-uniform electric fields at a partial electrode edge has also been measured and analyzed.

A number of technologies rely on the conversion of short laser pulses from one spectral domain to another. Efficient frequency conversion is currently obtained in ordered nonlinear optical materials and requires a periodic spatial modulation of their nonlinear coefficient which results in a narrow bandwidth. One can trade off efficiency for more spectral bandwidth by relaxing the strict phase-matching conditions and achieve nonlinear interaction in carefully engineered disordered crystalline aggregates, in a so-called random quasi-phase-matching (rQPM) process. In this dissertation, we examine appropriate fabrication pathways for (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT) and ZnSe transparent ceramics for applications in the mid-IR. The main challenge associated with the fabrication of high transparency PMN-PT ceramics is to avoid the parasitic pyrochlore phase. The most effective method to suppress the formation of this undesired phase is to use magnesium niobate (MgNb2O6) as the starting material. We have found that, contrary to commercially available lead oxide powders, nanopowders synthesized in our lab by the combustion method help improve the densification of ceramics and their overall optical quality. The effects of dopants on the microstructure evolution and phase-purity control in PMN-PT ceramics are also investigated and show that La3+ helps control grain-growth and get a pure perovskite phase, thereby improving the samples transparency. With large second order susceptibility coefficients and wide transmission window from 0.45 to 21 μm, polycrystalline zinc selenide is also an ideal candidate material for accessing the MWIR spectrum through rQPM nonlinear interaction. We have investigated non-stoichiometric heat-treatment conditions necessary to develop adequate microstructure for rQPM from commercial CVD-grown ZnSe ceramics. We have been able to demonstrate the world's first optical parametric oscillation (OPO) based on rQPM in ZnSe transparent ceramic, enabling broadband frequency combs spanning 3-7.5 μm.

Electron emission from ferroelectric materials is initiated by a variation of the spontaneous polarization. It is the main focus of this work to develop ferroelectric cathodes, which are characterized by a significantly decreased excitation voltage required to initiate the electron emission process. Particular attention is paid to the impact of the polarization on the emission process. Two materials are investigated. Firstly, relaxor ferroelectric lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) single crystals are chosen because of their low intrinsic coercive field. Electron emission current densities up to 5 · 10^(−5) A/cm² are achieved for excitation voltages of 160 V. A strong enhancement of the emission current is revealed for the onset of a complete polarization reversal. Secondly, lead zirconate titanate (PZT) thin films are investigated. A new method to prepare top electrodes with sub-micrometer sized, regularly patterned apertures is introduced and a stable electron emission signal is measured from these structures for switching voltages < 20 V. Furthermore, a detailed analysis of the polarization switching process in the PMN-PT samples is given, revealing a spatial rotation of the polarization vector into crystallographic easy axes, as well as the nucleation of reversed nano-domains. Both processes are initiated at field strengths well below the coercive field. The dynamics of the polarization reversal are correlated to the electron emission measurements, thus making it possible to optimize the efficiency of the investigated cathodes. / Die Ursache für Elektronenemission aus ferroelektrischen Materialien ist eine Veränderung des Zustandes der spontanen Polarisation. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Verringerung der dafür nötigen Anregungsspannung, wobei besonderes Augenmerk auf die Rolle der ferroelektrischen Polarisation innerhalb des Emissionsprozesses gelegt wird. Es werden zwei verschiedene Materialien untersucht. Das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat - Bleititanat (PMN-PT) wurde aufgrund seines geringen Koerzitivfeldes ausgewählt. Es konnten Emissionsstromdichten von bis zu 5·10^(−5) A/cm² bei einer Anregungsspannung von 160 V erreicht werden. Bei Einsetzen eines vollständigen Umschaltens der Polarisation wurde eine deutliche Verstärkung des Emissionsstromes festgestellt. Desweiteren werden Untersuchungen an Bleizirkoniumtitanat (PZT) Dünnfilmen gezeigt. Eine neue Methode, eine Elektrode mit periodisch angeordneten Aperturen im Submikrometerbereich zu präparieren, wird vorgestellt. Diese Strukturen liefern ein stabiles Emissionssignal für Anregungsspannungen < 20 V. Eine detailierte Analyse des Schaltverhaltens der Polarisation der PMN-PT Proben zeigt sowohl eine Rotation des Polarisationsvektors als auch eine Nukleation umgeschaltener Nanodomänen. Beide Prozesse starten bei Feldstärken unterhalb des Koerzitivfeldes. Die ermittelte Zeitabhängigkeit des Schaltprozesses erlaubt Rückschlüsse auf den Emissionsprozess und erlaubt es, die Effizienz der untersuchten Kathoden weiter zu optimieren.