Ladungs-Anlagerungs-Induzierter-Transport (CAIT) Studien zur Energielandschaft in ionenleitenden Festkörpern (Quantifizierung von besetzen Anteilen von Platzenergieverteilungen in amorphen und kristallinen Materialien)

• Antragsteller: Professor Dr. Karl-Michael Weitzel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428906592

Die Potentialenergie-Landschaft mobiler Ionen in Festkörper-Materialien ist eng verknüpft mit der Struktur auf der atomaren Skala und bestimmt die Funktion, z.B. den Ionentransport. Im Rahmen des Projektes P1 innerhalb der Forschungsgruppe FOR 5065 wird die Potentialenergielandschaft ionenleitender Festkörper mittels einer Kombination der Ladungs-Anlagerungs-Induzierter-Transport (CAIT) Methode und der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) studiert. Ziel ist die Bestimmung der Platzenergieverteilung (SED) im Festkörper als Funktion der strukturellen Ordnung, d.h. für amorphe, kristalline und bikristalline Zustände. Als Materialien mit Modellcharakter fällt der Fokus auf Lithium Borat und Strontiumtitanat und deren Derivate. In der CAIT Technik werden Alkaliionen an eine Materialprobe angelagert. Dies führt zu einer elektrischen Aufladung der Probenoberfläche, zu einem Gradienten des elektrochemischen Potentials und dem entsprechenden Transport von Ladungsträgern im Material. Fremdionen aus dem Ionenstrahl verdrängen und ersetzen native Ionen in der Probe in Transportrichtung und verursachen dazugehörige Konzentrations-Tiefenprofile. Diese Konzentrations-Tiefenprofile werden eingefroren und anschließend mit Hilfe der ToF-SIMS Technik quantitativ erfaßt und mittels der Nernst-Planck-Poisson (NPP) Transporttheorie modelliert. Im ersten Schritt wird die Analyse so durchgeführt, dass Platzenergieverteilungen (SED) und besetzte Anteile von Platzenergieverteilungen (PSED) abgeleitet werden. Diese werden an kooperierende Theoriegruppen (P5 Maass und P6 Jacob) weitergeleitet. Später liefern diese Theoriegruppen theoretische SED und PSED Verteilungen als Input für die NPP Analysen im Projekt Weitzel P1. Parallel dazu werden die CAIT behandelten Proben an die Kooperationsgruppen Volkert (P3) für Atomsonden-Tomographie (APT) und Jooss (P4) für Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) für atomare Strukturaufklärung übergeben. Darüber hinaus werden die Proben an die Vogel Gruppe (P2) für NMR Studien weitergegeben. Diese liefern Verteilungen von Korrelationsfunktionen, die direkt mit den Verteilungen der orts-abhängigen Diffusionskoeffizienten aus dem vorliegenden Projekt verglichen werden.Von diesen Studien erwarten wir ein deutlich verbessertes Verständnis der Potentialenergielandschaften in ionenleitenden Festkörpern und deren Wechselbeziehung mit der atomaren Struktur und der makroskopischen Transportfunktion.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5065: Energielandschaften und Struktur in ionenleitenden Feststoffen (ELSICS)
• Großgeräte: Extended Dynamic Range Detector
• Gerätegruppe: 1790 Spektrometer (Massen-, NMR-, außer 170-178)