Ferroelektrische Materialien sind ein Schlüsselbereich der aktuellen Forschung und weisen zahlreiche wichtige technologische Anwendungen auf. Diese Klasse kristalliner Feststoffe zeichnet sich üblicherweise durch eine Vielzahl von para- und ferroelektrischen Phasen auf. Letztere sind dadurch charakterisiert, dass sie auch in Abwesenheit eines äußeren Feldes eine spontane elektrische Polarisation aufweisen. Diese Eigenschaft hat ihren Ursprung in der besonderen elektronischen Struktur ferroelektrischer Materialien, die sich aus einer großen Vielfalt von Gittergeometrien und mikroskopischen Ladungsdichteverteilungen ergibt. Auf atomarer Ebene sind die komplexen Eigenschaften der Ferroelektrika bis jetzt jedoch nur teilweise verstanden. Insbesondere die Verbindung zwischen mikroskopischen elektronischen Ladungsverteilungen und der daraus resultierenden makroskopischen elektrischen Polarisation wirft eine entscheidende, momentan noch offene Frage auf. Die Ladungsdynamik und ihr Zusammenspiel mit Gitteranregungen, insbesondere Softmoden, sind auf atomaren Längen- und Zeitskalen ungelöst. In dieser Arbeit wird das Potenzial der Femtosekunden-Röntgenpulverbeugung aufgezeigt, diese Frage zu adressieren. Diese Methode ermöglicht im Rahmen dieser Arbeit die Bestimmung transienter elektronischer Ladungsdichtekarten für das prototypische ferroelektrische Ammoniumsulfat direkt unterhalb seiner Curie-Temperatur nach einer optischen Anregung. Die Analyse der experimentellen Daten deckte eine bislang unbekannte niederfrequente Gitteroszillation mit einer Periode von 3 ps und nukleare Verschiebungen im Sub-Picometer-Bereich auf, die Ladungsverschiebungen auf einer 100-pm-Längenskala induzieren. Dies sind klare Merkmale, die auf die Anregung einer Softmode hinweisen. Schließlich wird zum ersten Mal die Dynamik der makroskopischen Polarisationsänderung abgeleitet, die eine oszillatorische Umkehr der Polarität aufweist und für ultraschnelle Schaltanwendungen geeignet ist. / Ferroelectrics are an area of current research, with important technological applications such as ferroelectric random access memories, infrared cameras or medical ultrasound equipment. This class of crystalline solids do not commonly only exhibit a ferroelectric phase, but rather go through an abundant variety of para- and ferroelectric phases that depend on the temperature. The ferroelectric phases present a spontaneous electric polarization even in the absence of an external field, in contrast to paraelectric phases and also exhibit a hysteresis loop in analogy to ferromagnets. This macroscopic feature has its origin in their peculiar electronic structure, which results from a rich diversity of lattice geometries and complex microscopic charge distributions. At the atomic level, however, the intricate characteristics of ferroelectrics are only partially understood. The link between microscopic charge distributions and macroscopic electric polarization poses a crucial question to be solved. The interplay of charge dynamics and lattice excitations are still unresolved on atomic length and time scales. In this thesis, femtosecond X-Ray powder diffraction is used to find solutions for these unanswered questions. This method allows for the experimental determination of time-resolved charge density maps from where the structural, charge and polarization dynamics are can be derived. These maps are determined for the photoexcited ferroelectric ammonium sulphate just below its Curie temperature. Data analysis has revealed a newly discovered low frequency lattice oscillation with a 3ps period and sub-picometer nuclear displacements that is related to periodic charge relocations on a 100pm length scale, which is a feature indicative of soft mode behavior. Finally, the dynamics of the variation of polarization are derived for the first time, showing an oscillatory reversal of polarity that holds potential for ultrafast switching applications.

Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Verspannungs-Temperatur-Phasenbeziehungen in epitaktischen KxNa1-xNbO3 Dünnschichten, sowie deren Zusammenhang mit ferro- und piezoelektrischen Eigenschaften. Die präsentierten Ergebnisse ermöglichen es KxNa1-xNbO3 Dünnschichten für neuartige technologische Anwendung zu optimieren. Zunächst wird eine detaillierte strukturelle Untersuchung der ferroelektrischen Domänenstruktur in epitaktischen K0.7Na0.3NbO3 Schichten auf (110) TbScO3 vorgestellt. Eine Analyse der ferroelektrischen Domänenstruktur mittels lateral aufgelöster Piezoresponse-Kraftmikroskopie (PFM) zeigt vier Arten von Superdomänen. Durch die ergänzende Untersuchung der zweidimensionalen und dreidimensionalen Abbildung des reziproken Raumes mittels hochauflösender Röntgenbeugung (HR-XRD) wird nachgewiesen, dass dieses Domänenmuster mittels monokliner Einheitszellen in einem MC Domänenmodell beschrieben werden kann. Im Anschluss an die strukturelle Untersuchung wurden die elektromechanischen Eigenschaften der KxNa1-xNbO3 Schichten auf (110) TbScO3untersucht. Mittels Doppelstrahl-Laserinterferometrie (DBLI) wurde ein makroskopischer effektiver piezoelektrischer Koeffizient von bis zu d33,f = 23 pm/V nachgewiesen. Zudem wurden Oberflächenwellen-Experimente (SAW) durchgeführt. Diese zeigten außergewöhnlich hohe Signalstärken. Um die Temperatur der ferroelektrischen Phasenübergänge gezielt einstellen zu können, wurde der Zusammenhang zwischen epitaktischer Verspannung und der Phasenübergangstemperatur untersucht. Dazu wurden KxNa1-xNbO3 Schichten mit unterschiedlicher Verspannung gewachsen. Die Änderung der Domänenstruktur und der piezoelektrischen Eigenschaften aufgrund von Temperaturänderung wurde in-situ durch temperaturabhängige PFM, HR-XRD und DBLI Messungen untersucht. Die Untersuchung zeigte, dass die Übergangstemperatur des Übergangs von der MC- in die c-Phase mit zunehmender kompressiver Verspannung kontinuierlich um mehr als 400 °C abnahm. / The subject of this thesis is the experimental investigation of the strain-temperature-phase relations in epitaxial KxNa1-xNbO3 thin films and their connection to ferro- and piezoelectric properties. This will enable the optimization of KxNa1-xNbO3 layers for novel technological devices. First, a detailed structural investigation of the ferroelectric domain structure in epitaxial K0.7Na0.3NbO3 films on (110) TbScO3 is presented. An analysis of the ferroelectric domain structure with laterally resolved piezoresponse force microscopy (PFM) reveals four types of superdomains. By complementary two-dimensional and three-dimensional high resolution X-ray reciprocal space mapping this domain pattern is proven to be describable by an MC domain structure with monoclinic unit cells. Subsequently to the structural investigation, the electromechanical properties of KxNa1-xNbO3 layers on (110) TbScO3 were investigated. Double beam laser interferometry (DBLI) revealed a macroscopic effective piezoelectric coefficient of up to d33,f = 23 pm/V. Furthermore, surface acoustic wave (SAW) experiments were performed. They exhibited extraordinary signal intensities. In order to be able to selectively tune such phase transition temperatures, the correlation between epitaxial strain and the phase transition temperature was investigated. For this purpose, KxNa1-xNbO3 films with different compressive strain conditions were grown. The change of domain structure and piezoelectric properties upon temperature variation was investigated in-situ by temperature-dependent PFM, HR-XRD and DBLI measurements. The transition temperature between the MC- and c-phase was shown to continuously decrease by more than 400 °C with increasing compressive strain.