Chemische Expansion von Praseodym-Cer-Mischoxidschichten bei hohen Temperaturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Fritze; Professor Dr.-Ing. Christian Rembe
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404875250

Das grundlegende Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Untersuchung der chemischen Expansion dünner Schichten bei hohen Temperaturen. Als Untersuchungsgegenstand wird Praseodym-Cer-Mischoxid (PCO) im Temperaturbereich von 400 °C bis 700 °C gewählt. Das Materialsystem erreicht beim Ein- bzw. Ausbau von Sauerstoff deutlich größere mechanische Auslenkungen als beispielsweise hochtemperaturtaugliche Piezoelektrika. Schichten bieten im Vergleich zum Volumenmaterial den Vorteil niedriger Zeitkonstanten, da kurze Transportwege für Sauerstoff auftreten. Neben der chemischen Expansion müssen vor allem die in den Schichten vorliegende Defektstruktur und die zeitbestimmenden atomaren Transportmechanismen ermittelt werden. Die Schaffung eines speziellen Interferometers bzw. Vibrometers, das Änderungen der Schichtdicke im Subnanometerbereich auch bei Frequenzen von wenigen Millihertz messen kann, stellt dabei eine wesentliche gerätetechnische Aufgabe dar. Durch die Realisierung eines differentiell messenden Interferometers und durch Signaldiversität soll das Rauschen des Signals im Vergleich zu Standardgeräten drastisch reduziert werden. Die Ergebnisse und das neue Messverfahren lassen sich auf andere Materialsysteme anwenden, so dass ausgehend vom Modellsystem PCO weiterreichende Erkenntnisse zur chemischen Expansion und kleinen Auslenkungen in anderen mechanischen Systemen gewonnen werden können.Es handelt sich um ein hochaktuelles Thema, wobei jedoch nur wenige experimentelle Daten zur chemischen Expansion dünner Schichten vorliegen. Diese wurden fast ausschließlich indirekt ermittelt und weisen teilweise Widersprüche auf. Im Gegensatz zu Strukturmaterialien und elektronischen Funktionsmaterialien besteht bei Hochtemperatur-Aktuatoren ein weitreichender Forschungsbedarf. Hochtemperaturtaugliche „künstliche Muskeln“ werden z.B. bei der Energiewandlung und in der Raumfahrt benötigt.Die Antragsteller weisen komplementäre Kompetenzen im Bereich der Hochtemperaturmaterialien und der Laservibrometrie auf, die zur Lösung der wissenschaftlichen Aufgabe geeignet und in dieser Kombination einzigartig sind. Weiterhin sollen die Arbeiten in enger Kooperation mit einem Autor der offensichtlich einzigen verfügbaren Publikation zur mechanisch ermittelten PCO-Schichtexpansion erfolgen, so dass der geplante Probenaustausch vergleichbare Ergebnisse liefert.Im Rahmen der Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass es mit Vibrometern grundsätzlich möglich ist, die durch elektrochemisches Pumpen von Sauerstoff erzeugten Dickenänderungen von PCO-Schichten nachzuweisen. Eine wesentliche Einschränkung stellt jedoch das Signalrauschen von Standard-Vibrometern bei niedrigen Frequenzen dar. Zur Einstellung des Sauerstoffgleichgewichts in den PCO-Schichten sind Anregungsfrequenzen von wenigen Millihertz erforderlich, bei denen bisher jedoch keine sinnvollen Messungen möglich sind. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass Signaldiversität das Laser-Speckle-Rauschen deutlich vermindert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen