Defektchemie und Leitfähigkeitsmechanismen in akzeptordotiertem Natrium-Bismuth-Titanat (NBT)

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe; Dr. Till Frömling; Professor Dr. Wolfgang Unger, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281817830

In der bleifreien piezoelektrischen Keramik Natrium-Bismuth-Titanat (NBT) lässt sich durch geeignete Akzeptordotierung eine ionische Kornleitfähigkeit erreichen, die im Bereich eines Elektrolytmaterials für Festkörperbrennstoffzellen liegt. Die defektchemischen Gründe für die hohe ionische Leitfähigkeit sind allerdings nicht geklärt und es stellt sich die Frage, ob sich akzeptordotiertes NBT als neue Stoffklasse für die Anwendung als Sauerstoffionenleiter eignet. In diesem Projekt sollen die Mechanismen der elektrischen Leitfähigkeit und die Defektchemie von akzeptordiertem NBT aufgeklärt werden. Ziel ist es, die Ursache für die in der Literatur berichteten extrem hohen ionischen Leitfähigkeiten zu finden, indem das Wechselspiel aus Akzeptordotierung, Kationen- und Anionenleerstellen durch Kombination experimenteller Charakterisierungsmethoden und computergestützter Modellierung systematisch untersucht wird. Insbesondere die hohe Sauerstoffleitfähigkeit, die in Mg-dotierten Proben ermittelt wurde, steht im Vordergrund des wissenschaftlichen aber auch technologischen Interesses. Mit Impedanzspektroskopie bzw. Permittivitätsmessungen werden dielektrische Relaxationsprozesse und Leitfähigkeitsmechanismen identifiziert. Durch temperatur- und sauerstoffpartialdruckabhängige Messungen werden Rückschlüsse auf Art und Eigenschaften beteiligter Defekte möglich. 18O-Isotopenaustauschexperimente, die mit Time-of-flight-(TOF)-SIMS untersucht werden, liefern Informationen über das Diffusionsverhalten von Sauerstoffleerstellen und deren Einfluss auf die Gesamtleitfähigkeit. Untersuchungen von polykristallinem Material und Einkristallen sollen zur Unterscheidung von Korn- und Korngrenzbeiträgen zur Leitfähigkeit dienen. Mit Hilfe von Elektronenstrukturrechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie werden Bildungssenthalpien und Migrationsenthalpien intrinsischer Defekte (vornehmlich O-und Bi-Leerstellen) bestimmt und deren Assozation mit Dotanden berechnet, um Vorhersagen zu Aktivierungsenergien für O-Migration machen zu können, die gemeinsam mit den experimentellen Daten ein konsistentes Bild der Defektchemie und -kinetik des NBT liefern werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Jurij Koruza, Ph.D.; Dr. Jochen Rohrer; Professor Dr.-Ing. Jürgen Rödel