Elektrische Eigenschaften, Struktur und Defektchemie der Korngrenzen in n-leitender BaTiO3-Keramik

Wissenschaftliche Betreuung: Wolfgang Preis

Allgemeines

Der PTC-Effekt von n-leitender BaTiO3-Keramik ist der sprunghafte Anstieg des Korngrenzenwiderstandes, wenn der Curie-Punkt (Umwandlung von der ferroelektrischen in die paraelektrische Phase) überschritten wird. Die Ursache für diesen starken Anstieg des Widerstandes um 5 - 7 Größenordnungen ist das Auftreten von Schottky-Barrieren an den Korngrenzen. Am Lehrstuhl für Physikalische Chemie werden Bulk – und Korngrenzenwiderstände von n-leitender BaTiO3-Keramik in verschiedenen Atmosphären gemessen. Darüber hinaus werden in Kooperation mit dem Erich – Schmid – Institut (Prof. Gerhard Dehm) die Zusammensetzung und Struktur der Korngrenzen in atomarer Auflösung mittels HRTEM untersucht.

Messeinrichtung

Lehrstuhl für Physikalische Chemie: Impedanzspektroskopie ergänzt durch Gefügeuntersuchungen mittels REM/EDX.
Erich-Schmid-Institut: EELS/HRTEM

Prinzip

Die Leitfähigkeiten von Bulk- und Korngrenzen werden als Funktion der Temperatur durch Impedanzspektroskopie experimentell ermittelt. Segregationsprofile der Dotierelemente an den Korngrenzen sowie deren Struktur werden mittels EELS/HRTEM bestimmt. Ziel dieser Aktivitäten ist die Entwicklung eines umfassenden defektchemischen Modells für die elektrischen Eigenschaften der Korngrenzen in BaTiO3 – Keramik.

Modellierung von Sauerstoffdiffusion in Elektrokeramik

Wissenschaftliche Betreuung: Wolfgang Preis

Allgemeines

Diffusionsprozesse spielen bei der Herstellung und Funktion von Elektrokeramik eine wesentliche Rolle. In den meisten Fällen sind die Diffusionsvorgänge in keramischen Materialien stark von den Korngrenzen beeinflusst. Korngrenzen können abhängig von Struktur und Zusammensetzung sowohl die Diffusion von Sauerstoff blockieren als auch rasche Diffusionspfade ermöglichen. Sauerstoffionenleiter, wie z.B. dotiertes ZrOund CeO, zeigen üblicherweise für den Sauerstofftransport blockierende Korngrenzen. Elektrokeramische Materialien für Varistoren und PTC (positive temperature coefficient) – Thermistoren zeichnen sich durch sehr rasche Korngrenzendiffusion aus. Am Lehrstuhl für Physikalische Chemie wird rasche Korngrenzdiffusion in Elektrokeramik unter Berücksichtigung der Sauerstoffaustauschreaktion an der Oberfläche zwischen Gasphase und Festkörper modelliert. Darüber hinaus stellt die Simulation von Diffusion und Oberflächenaustauschreaktion in keramischen Kompositmaterialien einen weiteren Schwerpunkt dar.

Prinzip

Zur Simulation der Diffusionsprozesse werden entsprechende analytische Lösungen der Diffusionsgleichungen entwickelt bzw. numerische Berechnungsmethoden, wie z.B. finite Elemente oder finite Differenzen, verwendet. Zur Beschreibung der Struktur der polykristallinen Festkörper bzw. Filme stehen verschiede Modelle zur Verfügung. Ziel dieser Aktivitäten ist die quantitative Beschreibung und Vorhersage von Sauerstofftransport in PTC-Keramik, Kathodenmaterialien für Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs), etc.

Bestimmung der Korngrenzen- und Bulkleitfähigkeiten von SOFC-Elektrolytmaterialien & Elektrokeramik

Wissenschaftliche Betreuung: Wolfgang Preis

Allgemeines

Die elektrischen Eigenschaften von Festelektrolyten für SOFCs sowie zahlreichen elektrokeramischen Materialien für z.B. PTC (positive temperature coefficient) – Widerstände und Varistoren werden sowohl vom Bulk (Korn) als auch von den Korngrenzen bestimmt. Die Funktion der halbleitenden PTC - Keramik und Varistoren beruht zum überwiegenden Teil auf sehr hohen Korngrenzenwiderständen, welche durch Schottky-Barrieren hervorgerufen werden. Der ohmsche Widerstand von Sauerstoffionenleitern, wie z.B. Festelektrolyte für SOFCs, setzt sich aus der Bulkleitfähigkeit der Körner und der Leitfähigkeit der üblicherweise blockierenden Korngrenzen zusammen. Ein wesentlicher Aspekt der Forschungsaktivitäten am Lehrstuhl für Physikalische Chemie ist die Bestimmung der Bulk- und Korngrenzenleitfähigkeiten von Elektrolytmaterialien (Gd-dotiertes Ceroxid sowie Sc-stabilisiertes Zirkonoxid ko-dotiert mit Ce bzw. Y) und n-leitender BaTiO3-Keramik als Funktion von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck. Diese experimentellen Daten sind für die Entwicklung defektchemischer Modelle für den Bulk von Festelektrolyten sowie die Korngrenzen von PTC-Keramik essentiell.

Messeinrichtung

Impedanzspektroskopie in einem weiten Temperatur (Raumtemperatur – 900°C) - und Sauerstoffpartialdruckbereich (1 – 10-25 bar). Die Variation des Sauerstoffpartialdruckes erfolgt durch geeignete Gasmischungen bzw. elektrochemische Sauerstoffpumpen. Die AC-Messungen werden durch 4-Punkt-Gleichstrommessungen nach van der Pauw ergänzt.

Prinzip

Aus den experimentell ermittelten Impedanzspektren (Frequenzbereich: üblicherweise 10 mHz – 10 MHz) werden durch Anpassen geeigneter Ersatzschaltbilder die Widerstände des Bulks und der Korngrenzen gewonnen. Die Temperaturabhängigkeit der Bulk- und Korngrenzenleitfähigkeiten liefern Aktivierungsenergien für den Transport elektronischer oder ionischer Ladungsträger im Korn bzw. Korngrenzen. Ziel der Sauerstoffdruckvariation ist die Bestimmung experimenteller Daten für ein besseres Verständnis der Defektchemie der untersuchten Materialien. Die elektrischen Messungen werden durch Gefügeuntersuchungen mittels REM/EDX sowie thermische Analyse (TG, Dilatometrie und DSC) ergänzt.

Thermodynamic Modeling of Metal-Sulfur Systems

Wissenschaftliche Betreuung: Peter Waldner

Metal-Sulfur systems play an essential scientific and industrial role in the fields of materials science, metallurgy and geology. Thermodynamic databases of multi-component/phase metal sulfur systems support improvement and developmental work in these fields by descriptive and predictive calculations of:

• heat of formation, reaction, transformation and mixing
• metal and sulfur activities and partial pressures
• chemical equilibria
• phase equilibria: thermodynamic stabilities, solubilities, phase diagrams

Such databases are provided by modeling the Gibbs-energies of relevant system phases based on the Extended Modified Quasichemical Model for the liquid phase and on sublattice models within the Compound Energy Formalism for solid alloy and sulfide phases. All calculations are performed with the FactSage thermodynamic software package.