Examination of micro- and nanostructures of magnetic and piezoelectric materials in relation to their macroscopic properties by dynamic scanning force microscopy techniques

Abstract

Dynamic scanning force microscopy techniques like magnetic force microscopy (MFM), ultrasonic piezoresponse force microscopy (UPFM), and atomic force acoustic microscopy (AFAM) were used for nanoscale imaging and characterization of magnetic, ferro- and piezoelectric, and mechanical properties in structural steels and functional ceramics. MFM coupled with an external coil providing a controllable external magnetic field was used to reveal magnetic domain dynamics and its interaction with the microstructure in bulk high purity iron and unalloyed pearlitic steel samples containing globular and lamellar cementite precipitates. The observations were interpreted with respect to macroscopic electromagnetic nondestructive testing signals like the magnetic Barkhausen noise. Using electron backscatter diffraction, the crystalline orientations in ferrite and cementite were determined and correlated to the magnetic domain structure. The surfaces of different lead-free bismuth-based bulk ceramics (BNT, BNT-BT, Mn-doped BNT-BT, Sr-doped BNT-BT) were imaged by UPFM and AFAM revealing the most stable ferroelectric domain structure in the Sr-doped BNT-BT sample. Large thickness coupling coefficients (0.37) and vibration amplitudes (18 nm maximum) were detected by an impedance measuring station and laser vibrometry, respectively. The testing of the Sr-doped BNT-BT sample as ultrasonic transducer material confirmed its high potential as alternative to lead-based piezoelectric materials.

Dynamische Rasterkraftmikroskopieverfahren wie Magnetkraft- (MFM), Ultraschall-Piezomode- (UPFM) und akustische Rasterkraftmikroskopie (AFAM) wurden zur Abbildung und Charakterisierung magnetischer, ferro- und piezoelektrischer sowie mechanischer Eigenschaften technischer Stähle und funktioneller Keramiken im Nanobereich genutzt. Mit MFM in Kombination mit einer Spule zum Aufbringen eines externen Magnetfelds wurden magnetische Domänenbewegungen und ihre Wechselwirkung mit der Mikrostruktur in Proben aus reinem Eisen und unlegiertem perlitischen Stahl mit kugelförmigen bzw. lamellaren Zementitausscheidungen beobachtet. Die Beobachtungen wurden in Korrelation mit makroskopischen, elektromagnetischen, zerstörungsfreien Verfahren wie dem magnetischen Barkhausenrauschen interpretiert. Mittels Elektronenrückstreubeugung wurden die Orientierungen der Ferrit- und Zementitkörner bestimmt und mit magnetischen Domänenstrukturen korreliert. Weiterhin wurden verschiedene bleifreie Bismuth-basierte Keramiken (BNT, BNT-BT, Mn- und Sr-dotiertes BNT-BT) untersucht. UPFM- und AFAM-Aufnahmen zeigten in der Sr-dotierte BNT-BT-Probe die stabilste ferroelektrische Domänenstruktur. Mittels Impedanz-Messungen und Laservibrometrie wurden große Dickenschwingungskoppelfaktoren (0,37) und Schwingungsamplituden (18 nm maximal) nachgewiesen. Die Untersuchung der Sr-dotierten BNT-BT-Probe bestätigte das hohe Potential dieser Legierung, bleihaltige Keramikwerkstoffe im Ultraschallprüfkopfbau zu ersetzen.