Mechanical doping of strontium titanate
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde der Einfluss von Versetzungen auf die Leitfähigkeit von Funktionskeramiken untersucht. Durch detaillierte Arbeit am Modellmaterial SrTiO3 war es möglich, ein konzeptionelles Rahmenwerk zu erstellen, welches quasi für Funktionskeramiken gültig ist. Dabei wurde die mesoskopische Struktur, also die Anordnung der Versetzungen, als bisher unterschätzter Schlüsselparameter identifiziert. Am Beispiel von TiO2 wurde demonstriert, dass durch die Kontrolle der mesoskopischen Struktur der Effekt von Versetzungen zwischen donor- und akzeptorähnlicher Wirkung gewählt werden kann. Dabei ist der Effekt lokal von vergleichbarem Ausmaß zur Dotierung am Sättigungslimit. Für die Analyse wurden eine Reihe von funktionellen Eigenschaften betrachtet. Dazu gehören beispielsweise temperatur- und sauerstoffpartialdruckabhängige Impedanzspektroskopie für große Kristallvolumina als auch für Mikroelektroden sowie 18O Tracerdiffusionsexperimente mit entsprechender Sekundärmassenspektrometrie. Variation der Punktdefektchemie wurde durch die Wahl der Dotierung und durch den Wechsel zwischen TiO2 und SrTiO3 durchgeführt. Ein besonderer Fokus lag auf der Variation der Versetzungsstrukturen, welche mit ultra-high voltage electron microscopy, HAADF-STEM, electron channeling contrast imaging und Ätzgrübchen untersucht wurden. Im Besonderen wurde die Versetzungsstruktur auf einer bisher nicht zugänglichen Größenskala durch dark-field x-ray microscopy aufgelöst. Die Kontrolle über die Versetzungsstruktur bedurfte eines besonderes tiefen mechanischen Verständnisses, welches im Projekt aufgebaut wurde. Durch besonderes Engagement in diesem Bereich konnten zwei unerwartete Erkenntnisse gewonnen werden. Wie oben beschrieben, wurde gezeigt, dass eine Reihe von Keramiken auch bei Raumtemperatur durch eine hohe Versetzungsdichte eine erhöhte Bruchzähigkeit erhalten können. Diese Möglichkeit, Keramiken schon bei kurzen Rissen durch Versetzungen zu verstärken, war selbst in den Hochzeiten der Forschung an mechanischen Eigenschaften von Keramiken in den 1980er und 90er Jahren unentdeckt geblieben. Zusätzlich konnten wir erstmal zeigen, dass sich polykristalline Perowskite bei z.B. 1100 °C sehr gut durch Versetzungen verformen lassen. Diese Arbeiten bildeten die Basis für den später gestellten und bewilligten Koselleck Antrag. Eine Veröffentlichung in „Science“ mit dem Titel „Control of polarization in bulk ferroelectrics by mechanical dislocation imprint“ führte zu Pressemitteilungen bei der DKG, der DGM, dem IOM. Die Projektziele wurden vollumfänglich erreicht. Zusätzlich wurde an mehreren Stellen die Gelegenheit zu unerwarteten Erkenntnissen genutzt, wodurch sich ein besonders hoher Mehrwert bietet und eine ganze Reihe an Folgearbeiten angestoßen wurde.
Publications
- Bridging the gap between bulk compression and indentation test on room-temperature plasticity in oxides: A case study on SrTiO3. Crystals 2020, 10, 933
Fang, X.; Porz, L.; Ding, K.; Nakamura, A.
(See online at https://doi.org/10.3390/cryst10100933) - High temperature creep-mediated functionality in polycrystalline barium titanate. J. Am. Ceram. Soc. 2020, 103 (3), 1891-1902
Ren, P. R.; Höfling, M.; Koruza, J.; Lauterbach, S.; Jiang, X. J.; Frömling, T.; Khatua, D. K.; Dietz, C.; Porz, L.; Ranjan, R.; Kleebe, H. J.; Rödel, J.
(See online at https://doi.org/10.1111/jace.16881) - Conceptual framework for dislocation-modified conductivity in oxide ceramics deconvoluting mesoscopic structure, core, and space charge exemplified for SrTiO3. ACS nano. 2021
Porz, L.; Frömling, T.; Nakamura, A.; Li, N.; Maruyama, R., M.; Matsunaga, K.; Gao, P.; Simons, H.; Dietz, C.; Rohnke, M.; Janek, J.; Rödel, J.
(See online at https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04491) - Dislocation-toughened ceramics. Mater. Horiz. 2021, 8, 1528-1537
Porz, L.; Klomp, A.; Xufei, F.; Li, N.; Yildirim, C.; Detlefs, C.; Bruder, E.; Höfling, M.; Rheinheimer, W.; Patterson, E. A.; Gao, P.; Durst, K.; Nakamura, A.; Albe, K.; Simons, H.; Rödel, J.
(See online at https://doi.org/10.1039/D0MH02033H) - Dislocations in ceramic electrolytes for solid-state Li batteries, Scientific Reports, 2021, 11, 8949
Porz, L.; Knez, D.; Scherer, M.; Ganschow, S.; Kothleitner, Rettenwander, D.
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-021-88370-w) - Self-doping by mechanically induced dislocations in bulk TiO2. Nano Energy. 2021, 85, 105944
Muhammad, Q. K.; Porz, L.; Nakamura, A.; Masunaga, K.; Rohnke, M.; Janek, J.; Rödel, J.; Frömling, T.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105944)
