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

• Antragsteller: 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

Im Mischsystem LiNb1-xTaxO3 (LNT) bestimmen Ionentransport und Punktdefekte maßgeblich die makroskopischen Materialeigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit, elektromechanische Eigenschaften, optische Eigenschaften, Hochtemperaturstabilität und Li-Stöchiometrieänderungen. Ihre Kenntnis ist daher für das Maßschneidern von Eigenschaften und Prozessen unerlässlich. Das vorliegende Teilprojekt beschäftigt sich mit dem Verständnis des Ionentransports der Spezies Li, Nb/Ta, O und H in LNT-Kristallen in Abhängigkeit von Temperatur, O2-Partialdruck und Nb/Ta-Gehalt. Die zugrundeliegenden Punktdefekte, Defektgleichgewichte und Transportmechanismen werden aufgeklärt und der Zusammenhang mit den makroskopischen Materialeigenschaften herausgearbeitet. Im ersten Projektabschnitt wurden grundlegende Diffusionseigenschaften ermittelt, relevante Punktdefekte und Energien abgeleitet und mit der Leitfähigkeit korreliert. Die zentralen Ergebnisse sind: (1) eine Verlangsamung der O-Diffusion, jedoch nicht der Li-Diffusion als Funktion des Ta-Gehalts, (2) eine Abnahme der Li-Diffusion bei stark reduziertem O2-Partialdruck in LiNbO3 und nicht in LiTaO3 sowie (3) eine erhöhte Diffusion der Li-Ionen entlang von Domänenwänden. (4) H trägt neben Li und Elektronen zur Leitfähigkeit bei und kann in Abhängigkeit von der Temperatur als Parameter zur Einstellung dieser Größe genutzt werden. In der zweiten Projektphase soll, neben einer weiteren Vertiefung dieser Themen, insbesondere der Ionentransport in dünnen LNT-Schichten zusätzlich zu Kristallen analysiert werden. Unterschiede aufgrund der andersgearteten Morphologie und Defektstruktur sowie mechanischer Spannungen und die daraus resultierende Änderung der Defektenergien zur Eigenschaftsmodifikation sollen aufgezeigt werden. LNT-Schichten bieten zudem den Vorteil, dass ferroelektrische Domänen im Nanometerbereich strukturiert werden können, wodurch der Einfluss der Domänenwände auf den Ionentransport verstärkt wird. Die Herstellung isotopenreiner 7LiNb1-xTaxO3-Schichten erhöht zudem die Empfindlichkeit von Diffusionsexperimenten um Größenordnungen und ermöglicht die Aufklärung neuer Mechanismen. Weitere Schwerpunkte sind der Ionentransport in LNT-Kristallen mit variablem Li-Gehalt und in Mg-dotierten Kristallen zur Aufklärung der Modifikation von Defekttypen und Leitfähigkeiten. Für die Diffusionsexperimente werden stabile Tracerisotope (2H2O, 6Li, 18O2,180Ta) in Kombination mit Sekundärionen-Massenspektrometrie, Infrarot-Spektroskopie und Neutronen-Reflektometrie eingesetzt. Die Ergebnisse sollen in ein Defektmodell einfließen, das die ionischen und elektronischen Transportvorgänge erklärt und die Grundlage für ein Maßschneidern der Materialeigenschaften bildet. Die Arbeiten erfolgen in Kooperation mit den anderen Teilprojekten in den Bereichen Probenherstellung (TP1, TP9), Ladungstransport (TP3, TP4, TP7), Domänen(wände) (TP5, TP6) und atomistische Modellierung (TP8).

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5044: Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden