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

Atomare Anordnungen, Energiepotentiallandschaften und ionische Leitfähigkeit von Festkörpermaterialien sind eng miteinander verbunden. Die chemische Identität, die elektronische Struktur und die lokale Anordnung der Atome in einem Festkörper geben die potentielle Energielandschaft vor, und diese wiederum steuert die Energetik und Kinetik der mobilen Spezies. Ihre Bewegung verändert die atomare Struktur und modifiziert die Energielandschaft, was zu einem gekoppelten und dynamischen Zustand führt. Einblicke in die Energielandschaft können durch experimentelle Untersuchungen von Löslichkeiten, Segregationskoeffizienten, Ionenleitfähigkeit und -diffusion gewonnen werden. In Kombination mit der Theorie liefern diese Studien die Grundlage für die Entwicklung eines vollständigen Bildes der dynamischen Kopplung zwischen atomarer Struktur und Mobilität. Das Ziel der ELSICS-Forschungsgruppe ist die Anwendung dieser Methodik, um ein mechanistisches Verständnis der Ionenbeweglichkeit in mehreren modelltechnisch relevanten Ionenleitern zu gewinnen.Die Atomsonden-Tomographie (APT) hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einer leistungsfähigen Methode entwickelt, um lokale, atomare Informationen über dreidimensionale Elementverteilungen in Materialien zu erhalten. Sogar anspruchsvolle Materialien wie elektrisch isolierende, ionenleitende und spröde Oxide wurden mit Laseranregung und durch sorgfältige Optimierung der Messparameter und Rekonstruktionsalgorithmen erfolgreich analysiert. Im Rahmen der vorgeschlagenen Forschungseinheit wird APT mit SIMS (P1 Weitzel), NMR (P2 Vogel) und TEM (P4 Jooss) kombiniert, um Konzentrationsgradienten und die Struktur mehrerer Ionenleiter auf atomarer Skala zu bestimmen, aus denen die Energieverteilungen und ionische Leitfähigkeit theoretisch vorhergesagt und mit Messungen von Ionen Bewegung durch CAIT (P1 Weitzel) und NMR (P2 Vogel) verglichen werden. In letzter Zeit wurden auch Atomsondenmethoden verwendet, um Informationen über die individuelle Ionendynamik mit Hilfe der selektiven Feldverdampfung und anschließender APT zu gewinnen. Die Möglichkeiten und der Potential dieser Methode zum Nachweis lokaler Migrationspfade in Ionenleitern werden ebenfalls erforscht.

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