Ionentransport und Punktdefekte in LiNb_(1-x)Ta_xO_3-Mischkristallen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Fritze; Professor Dr. Harald Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426703838

Der vorliegende Antrag beschreibt ein Teilprojekt der Forschungsgruppe „Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden“, die sich der Korrelation von Defektstruktur, Elektronen- und Ionentransport sowie elektromechanischen Eigenschaften anhand des Modellsystems Lithiumniobat-Lithiumtantalat (LNT) widmet.Im Zentrum dieses Teilprojekts steht die experimentelle Charakterisierung und das grundlegende Verständnis des Ionentransports der Spezies Li, Nb/Ta, O und H und der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Sauerstoff-Partialdruck und dem Nb/Ta-Gehalt in LNT-Einkristallen mit und ohne ferroelektrischen Domänen. Hierdurch sollen die zugrundeliegenden Punktdefekte, Defektgleichgewichte und Transportmechanismen aufgeklärt werden. Defekte und Transport sowie deren Wechselspiel haben fundamentalen Einfluss auf die makroskopischen Materialeigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit, elektromechanische Eigenschaften, optische Eigenschaften etc. und erlauben bei deren Kenntnis ein Maßschneidern von Eigenschaften.Die Ergebnisse dieses Teilprojekts sind im Gesamtzusammenhang vor allem von Bedeutung für ein Verständnis der partiellen Ionenleitfähigkeiten und deren Beitrag zur Gesamtleitfähigkeit, zur Identifikation der temperaturabhängigen Majoritätspunktdefekte und Defektcluster sowie für die Hochtemperaturstabilität und Stöchiometrieänderungen. Konkret soll ebenfalls der Einfluss des paraelektrischen Übergangs und von Fremdatomen auf die Diffusion erforscht werden. Besonders hervorzuheben ist die Untersuchung des bisher nicht erforschten Einflusses der Domänenwände und der dort assoziierten Defekte/Ladungen auf den Ionentransport. Die Arbeiten bilden auch die Grundlage für ein Verständnis der Polaronendynamik in zeitlich veränderlichen atomaren Strukturen.Zur Bestimmung der Tracer-Diffusionskoeffizienten werden stabile Tracerisotope eingesetzt, die entweder aus der Gasphase (2-H_2O, 18-O_2) oder mittels Sputterdeposition (6-Li, 180-Ta) ein-/aufgebracht werden. Die isotopenselektive Tiefenprofilanalyse erfolgt in allen Fällen mit Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) und für ausgewählte Systeme im Rahmen eines neuartigen analytischen Ansatzes mit Neutronenreflektometrie (NR). Die notwendigen Leitfähigkeiten sollen mit Impedanzspektroskopie ermittelt werden. Die Ergebnisse sollen in ein Defektmodell einfließen, das die ionischen und elektronischen Transportvorgänge erklärt und die Basis für ein Maßschneidern von Materialeigenschaften bildet.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5044: Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Günter Borchardt