Technische Hochschule Darmstadt

Dielektrische Spektroskopie
an Rochelle-Salzen

Diplomarbeit
von
Ulrich Schneider

Institut für Festkörperphysik
Experimentalphysik

Darmstadt

im Juni 1996

Die Neigung der Menschen, kleine Dinge für wichtig zu halten,
hat sehr viel Großes hervorgebracht.
Georg Christoph Lichtenberg (1742-1799)

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung 7

2 Theoretische Grundlagen ... 9
    2.1 Elektrodynamik... 9
    2.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Dielektrika ... 12
    2.3 Polarisationsmechanismen ... 13
    2.4 Dielektrische Relaxation ... 15
    2.5 Elektrische Ordnung ... 22

3 Rochelle-Salze ... 31
    3.1 Geschichtlicher Überblick ... 31
    3.2 Struktur ... 33
    3.3 Dotierungmit Ammonium ... 35
    3.4 Pseudo-SpinModell ... 36

4 Experimentelle Details ... 41
    4.1 Probenpräparation ... 41
    4.2 Temperatursteuerung ... 43
        4.2.1 Geschlossenes 4He-Kühlsystem ... 43
        4.2.2 N2-Kühlsystem ... 44
        4.2.3 4He-Kryostat ... 44
    4.3 Dielektrische Messungen ... 46
        4.3.1 Niederfeld-Messungen ... 46
        4.3.2 Hochfeld-Messungen ... 47
    4.4 Meßfehler ... 49

5 Meßergebnisse und Diskussion ... 51
    5.1 Niederfeldmessungen ... 52
    5.2 Hochfeldmessungen ... 69
    5.3 Phasendiagramm ... 88
    5.4 Vergleich mit dem Modell ... 93

6 Zusammenfassung ... 97

A Fourieranalyse der Hysteresekurven ... 99

Literaturverzeichnis ... 101

Kapitel 1
Einführung
Rochelle-Salz wurde im Jahre 1655 erstmalig durch den Apotheker Pierre Seignette in La Rochelle (Frankreich) synthetisiert. Daher wurde früher auch der Name Seignette-Salz für diese Substanz gebraucht.

Es war die erste und für lange Zeit die einzige bekannte Substanz, die elektrisch ordnet. Daher findet sich in der frühen Literatur auch der Begriff Seignetto- Elektrika für andere Stoffe, für die heute der Begriff Ferroelektrika in Analogie zum Magnetismus gebräuchlicher ist.

Rochelle-Salz ist ein organisches Salz; es kristallisiert als Doppel-Tartrat des Kaliums und Natriums unter Bindung von vier Wassermolekülen und zeigt eine Phasenumwandlung von einem paraelektrisch ungeordneten zu einem Zustand ferroelektrischer Ordnung. Die Übergangstemperatur wird ebenfalls in Analogie zum Magnetismus mit dem Begriff Curie-Temperatur bezeichnet. Diese Umwandlung findet bei etwa 297K statt.

Eine sehr bemerkenswerte Eigenschaft ist, daß die Kristalle einen weiteren Curie-Punkt bei Tc (?)255K besitzen, bei dem die ferroelektrische Phase in eine Phase übergeht, die gemeinhin als paraelektrisch bezeichnet wird. Dieses Charakteristikum wurde erst Anfang dieses Jahrhunderts entdeckt. Rochelle-Salz ist die einzige bisher bekannte ferroelektrische Substanz mit diesem Verhalten.

Die Substanz NaNH4-Tartrat, genannt Ammonium-Rochelle-Salz, zeigt nur einen Phasenübergang bei circa 108K hin zu einer polaren Phase. Diese Umwandlung wird nach der Landau-Theorie als Übergang erster Ordnung klassifiziert, während die beiden des reinen Rochelle-Salzes Übergänge zweiter Ordnung sind. Im Rahmen dieser Arbeit sollten Kristalle der Mischreihe des reinen Rochelle-Salzes mit Ammonium-Rochelle-Salz:

!! Formel ist in dieser Vorschau nicht verfügbar !!

dielektrisch in einem Konzentrationsbereich 0 <= x <= 1 untersucht werden. Die dielektrische Spektroskopie ist ein ideales Werkzeug zur Untersuchung von Relaxationsprozessen und elektrischer Ordnung. Von besonderem Interesse ist der Dotierungsbereich von etwa 2, 5 bis 18%, der bislang wenig verstanden ist. Hier sollte geklärt werden, ob das bei diesen Konzentrationen vorliegende Maximum im Realteil der Dielektrizitätskonstanten auf mögliche elektrische Ordnung zurückzuführen ist. Desweiteren sollten die Relaxationsmechanismen studiert werden. 

Ziel dieser Arbeit war es, erstmalig eine systematische Untersuchung des gesamten Dotierungsbereichs vorzunehmen. Die Experimente wurden dazu auf zweierlei Weisen durchgeführt. Das lineare, dielektrische Verhalten der Kristalle sollte im Frequenzbereich von 20 Hz bis 1MHz und im Temperaturbereich 15.320K untersucht werden. Das nichtlineare Verhalten der Substanzen wurde im selben Temperaturbereich mit hohen Spannungen studiert.

Im folgenden Kapitel sind die nötigen theoretischen Grundlagen zusammengestellt. Hieran schließt sich ein Abschnitt an, in dem die zu untersuchenden Substanzen im Hinblick auf Struktur, theoretische Modellbildung etc. eingehender analysiert werden. Die Präparation der Proben und die experimentellen Aufbauten werden im vierten Kapitel beschrieben. Im fünften Kapitel folgt die Darstellung und Diskussion der Meßergebnisse, die in der sich daran anschließenden Zusammenfassung nocheinmal kurz dargelegt werden.

Kapitel 2
Theoretische Grundlagen
2.1 Elektrodynamik
Der Begriff Elektrodynamik¹ steht für die physikalische Theorie, mit deren Hilfe alle Erscheinungen beschrieben werden können, bei denen zeitlich und räumlich veränderliche elektrische und magnetische Felder beteiligt bzw. miteinander verknüpft sind.

Feldbegriff
Wesentlich ist hierbei die Einführung des Feldbegriffes: dabei stellt man sich Kräfte als durch ein Feld vermittelt vor: eine elektrische Ladung oder ein magnetischer Dipol rufen in ihrer Umgebung eine Veränderung hervor, ein sogenanntes elektrisches bzw. magnetisches Feld, welches nun seinerseits mit anderen Ladungen oder Dipolen in Wechselwirkung tritt.²

Die Elektrodynamik ist eine phänomenologische Theorie und beschränkt sich auf das makroskopische Régime der Physik: die atomistische Struktur wird zweckmäßigerweise zu Gunsten des Kontinuums von Ladung und Strom vernachlässigt. Die Maxwellschen Differentialgleichungen (siehe Seite 11) entstanden aus einer Zusammenstellung der Aussagen von vier Grundexperimenten durch J.A.Maxwell. Sie erlauben eine sehr zutreffende Ableitung von Aussagen über die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen und deren Wechselwirkung mit Materie.

[...]

1 nach einer Idee von A. M. Ampère
2 Diese Beschreibung der elektromagnetischen Kräfte stammt von M. Faraday.