SFB 1548:
FLAIR - Fermi Level Engineering angewendet auf oxidische Elektrokeramiken
Fachliche Zuordnung
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Chemie
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463184206
Elektrokeramische Materialien weisen vielfältige Eigenschaften auf und werden zunehmend, zum Beispiel in der Energiewandlung, -speicherung oder in der Elektronik eingesetzt. Um bessere Materialien mit neuen oder besseren Eigenschaften zu entwickeln, die, in Einklang mit allgemeinen Zielen, klimaneutral, nicht gesundheitsschädlich sowie ressourcen- und energieeffizient sind, ist es wünschenswert vorhersagen zu können, wie deren Eigenschaften von der Zusammensetzung und der Art der Herstellung abhängen. Während dies in der Halbleitertechnologie weitgehend möglich ist, fehlt für oxidische Elektrokeramiken dafür ein umfassendes Verständnis der Veränderung der Materialeigenschaften durch chemische Substitution (Dotierung). Der Sonderforschungsbereich FLAIR möchte diese Begrenzung überwinden, indem er das Fermi-Niveau als gemeinsamen Parameter für die Beschreibung der verschiedenen Mechanismen der Ladungskompensation verwendet, die entscheidend für die Eigenschaften sind. FLAIR entwickelt Fermi level engineering als neuen Weg für das Design neuer oxidischer Elektrokeramiken und erarbeitet dabei auch ein erweitertes Verständnis von Raumladungszonen an Oberflächen, Korngrenzen, und Heterogrenzflächen. Die Zusammenhänge zwischen der Fermi-Energie und der Phasenstabilität werden darüber hinaus zur Ableitung neuer Herstellungswege und für die Kontrolle der Mikrostruktur eingesetzt. Fermi level engineering wird dadurch zu einem neuen Werkzeug für das Design verschiedenster Elektrokeramiken. Langfristig soll eine Simulationssoftware erstellt werden, mit der, ausgehend von der chemischen Zusammensetzung und den Herstellungsparametern, die Phasenverteilung, Mikrostruktur und resultierenden Eigenschaften vorhergesagt werden können. Das Konzept soll exemplarisch für drei Anwendungsfelder entwickelt werden: (I) Gemischte ionisch-elektronische Leiter für Ionenaustauschmembranen und Brennstoffzellen, (II) Photo- und Elektrokatalysatoren für die elektrolytische Wasserspaltung und (III) Piezo- und Dielektrika für Aktoren und Kondensatoren. Die untersuchten Materialien beinhalten Oxide, Oxynitride, Oxyfluoride und Oxyhydroxide mit Perowskit oder verwandter Struktur. Der SFB adressiert technologische Begrenzungen wie i) die Konkurrenz von Sauerstoff-Ionenleitung, Sauerstoff Ein- und Auslagerung und CO2 Resistenz von Membranmaterialien, ii) Empfindlichkeit von Photokatalysatoren für sichtbares Licht, iii) edelmetallfreie Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung, iv) Härtung bleifreier Piezoelektrika und v) die Temperaturstabilität von Dielektrika. Für die Umsetzung kombiniert der SFB führende Expertise und Ausstattung in den Bereichen Charakterisierung der elektronischen Struktur, Oberflächenforschung, Festkörper-, Defekt- und Elektrochemie, keramische Synthese, Analyse von Mikrostrukturen und multiskalige Modellierung von Elektrokeramiken.
DFG-Verfahren
Sonderforschungsbereiche
Laufende Projekte
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A01 - Fermi level engineering an dotierten Perowskiten: Von schwacher Dotierung bis zur Phasenbildung
(Teilprojektleiter
Albe, Karsten
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Zhang, Ph.D., Hongbin
)
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A02 - Polaronenbeiträge zur Toleranz des Fermi Niveaus in oxidischen Elektrokeramiken mit Perowskitstruktur
(Teilprojektleiter
Albe, Karsten
)
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A03 - Fermi level engineering in Sauerstofftransportmembranen
(Teilprojektleiterin
Weidenkaff, Anke
)
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A04 - Fermi level engineering in (nicht-)degenerierten halbleitenden oxidnitridischen Perowskitphotoabsorbern
(Teilprojektleiterin
Weidenkaff, Anke
)
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A05 - Fermi-Energie-bestimmte topochemische Reaktionsstrategien für elektrokatalytischaktive Ba-reiche Übergangsmetalloxifluoride, -oxihydroxide und deren Kombinationen
(Teilprojektleiter
Clemens, Oliver
)
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A07 - Defektniveaus und Grenzen des Fermi-Niveaus in funktionalen Oxiden
(Teilprojektleiter
Klein, Andreas
)
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B01 - Fermi level engineering von Korngrenzen in oxidischen Perowskiten durch ab-initio Berechnungen
(Teilprojektleiter
Albe, Karsten
)
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B02 - Verständnis dotandenkontrollierter Modifikationen der elektronischen Struktur und Reaktivität von Perowskitoberflächen durch ab-initio Berechnungen
(Teilprojektleiter
Rohrer, Jochen
)
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B03 - Einfluss des Fermi Niveaus auf die Entwicklung der Mikrostruktur: Eine elektro-chemo-mechanische Phasenfeldstudie
(Teilprojektleiterin
Xu, Bai-Xiang
)
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B04 - Einfluss der grundlegenden elektronischen Struktur auf die Korngrenzeigenschaften in oxidischen Perowskiten
(Teilprojektleiter
Klein, Andreas
;
Rheinheimer, Wolfgang
)
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B05 - Untersuchung der elektrischen Aktivität von Korngrenzen in akzeptordotierten Perowskitoxiden durch Ionentransportexperimente
(Teilprojektleiter
De Souza, Ph.D., Roger
)
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B06 - Struktur im Realraum und elektronische Struktur von Korngrenzen in Perowskiten
(Teilprojektleiter
Kübel, Christian
)
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B07 - Perowskit-basierte Hochleistungselektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion: Fundamentale Einblicke in die elektronische Struktur von Volumen und Grenzflächen mit Ausblick auf Materialentwicklung
(Teilprojektleiter
Hofmann, Jan Philipp
)
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B08 - Verbesserung der Sauerstoff- und Wasserstoffaustauschreaktionen an Oberflächen durch Fermi Level Engineering
(Teilprojektleiter
Hofmann, Jan Philipp
;
Klein, Andreas
)
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Z01 - Zentrale Verwaltung des Sonderforschungsbereichs
(Teilprojektleiter
Klein, Andreas
)
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Z02 - Hochdruck-Photoelektronenspektroskopie für Fermi Level Engineering
(Teilprojektleiter
Hofmann, Jan Philipp
;
Klein, Andreas
)
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Z03 - Strukturelle Charakterisierung durch 2D und 3D Elektronenbeugung
(Teilprojektleiterin
Kolb, Ute
)
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Z04 - Integriertes Graduiertenkolleg „Junior FLAIR“
(Teilprojektleiterin
Xu, Bai-Xiang
)
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Z05 - Nachhaltiges Forschungsdaten Management
(Teilprojektleiter
Kübel, Christian
;
Zhang, Ph.D., Hongbin
)