Lokale Struktur auf atomarer Skala von ionenleitenden Oxiden aus der Atomsonden-Tomographie

• Antragstellerin: Professorin Dr. Cynthia A. Volkert
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428906592

Dieser Antrag skizziert die Pläne für die zweite Phase eines Projekts, das sich auf Atomsondentomographie (APT) innerhalb der Forschungsgruppe Energy Landscapes in Ion Conducting Solids (ELSICS) konzentriert. Das übergeordnete Ziel von ELSICS ist es, direkte Korrelationen zwischen der Anordnung der Atome und der Ionenmobilität innerhalb der Energielandschaft ionenleitender Feststoffe herzustellen. APT spielt eine zentrale Rolle in diesem Vorhaben, da es eine dreidimensionale, nahezu atomar aufgelöste chemische Kartierung ermöglicht. In Kombination mit TEM (Projekt P4) können dadurch atomare Positionen sowie element-spezifische Verteilungen an kritischen lokalen Bereichen, wie Defekten und Grenzflächen, mit höchster Präzision bestimmt werden. In der ersten Projektphase entwickelten wir erfolgreich Methoden zur Anwendung von APT auf ELSICS-Materialien, die aufgrund ihrer isolierenden Eigenschaften, Ionenleitfähigkeit und Sprödigkeit besondere Herausforderungen darstellen. Diese Fortschritte ermöglichten es uns, erstmals große APT-Datensätze für SrTiO3 zu erfassen, einschließlich der chemischen Kartierung einer Korngrenze. Die APT-Rekonstruktionen zeigten eine ausgeprägte Sr-Verarmung innerhalb eines sub-nanometergroßen Bereichs an der Korngrenze – eine Beobachtung, die durch STEM-EELS- und HAADF-STEM-Bildgebung bestätigt wurde, die auch die facettierte Korngrenzenstruktur bestätigten (Projekt P4). DFT-Berechnungen lieferten zudem eine energetische Begründung für die bevorzugte Sr-Verarmung (Projekt P6). Aufbauend auf diesem Erfolg wird die zweite Phase weiterhin den Fokus auf Korngrenzen in SrTiO3 legen. Alkali- und Übergangsmetall-Verunreinigungen werden gezielt in Grenzflächennähe eingebracht, sowohl über CAIT (Projekt P1) als auch aus Diffusionsquellen (Projekt P4). APT wird genutzt, um die Verteilung und Diffusionsprofile dieser Verunreinigungen in Kombination mit TEM (Projekt P4) zu analysieren und mit den aus DFT-Berechnungen (Projekt P6) abgeleiteten Energielandschaften zu vergleichen. Zusätzlich werden diese Daten mit Tiefenprofilen aus SIMS (Projekt P1) und XPS (Projekt P8) korreliert. Darüber hinaus werden wir diese Methodik auf Versetzungen in SrTiO3 ausweiten, die eine einfachere, aber dennoch komplementäre Defektstruktur darstellen und eine noch präzisere Validierung unserer Ansätze ermöglichen. Letztendlich zielt dieses Projekt darauf ab, eine stringente und quantitative Validierung des ELSICS-Paradigmas zu liefern, indem defektspezifische Energielandschaften in SrTiO3 mit der Energetik und Dynamik mobiler Ionen korreliert werden. Dies wird unser grundlegendes Verständnis von Ionentransportmechanismen vertiefen und zur Weiterentwicklung ionenleitender Materialien beitragen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5065: Energielandschaften und Struktur in ionenleitenden Feststoffen (ELSICS)