Heterogeneous solid state reactions in external electric fields
Final Report Abstract
In vielen technologisch wichtigen Anwendungen finden man mehrphasige Keramiken oder keramische Multischichten. Dielektrika, Ferroelektrika, Isolatoren oder die gemischtleitenden Kathodenmaterialien von Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) werden im Betrieb neben erhöhten Temperaturen auch sehr großen elektrischen Feldern ausgesetzt. Die häufig anzutreffenden miniaturisierten Strukturen erhöhen die Bedeutung innerer Grenzflächen als schnelle Transportpfade für Festkörperreaktionen. Über die Wirkung elektrischer Felder auf die Reaktionskinetik und damit zur Stabilität von Mifcrostrukturen unter derartigen Einsatzbedingungen findet man bislang nur wenige formale und experimentelle Arbeiten [1-11]. Im ersten Teil dieses Projektes wurden elektronenmikroskopische Untersuchungen und Untersuchungen zur Reaktionskinetik an dem Modellsystem MgO/Mgln2O4/In2O3 mit und ohne externes elektrisches Feld durchgeführt. Die elektrochemischen Zellen sind in Dünnschichttechnik mittels gepulster Laserdeposition (PLD) hergestellt worden. Ein elektrisches Feld beschleunigt die Reaktion deutlich und läßt sie bei längeren Reaktionszeiten mit einer linearen Zeitgesetz ablaufen. Bei größeren Produktschichtdicken überwiegt der konstant bleibende elektrische Potentialgradient die chemische Triebkraft. Die Morphologie der Reaktionsfronten wird mit dem elektrischen Feld sehr viel stärker von den Transporteigenschaften der Korngrenzen in der Produktschicht beeinflusst. In der Nähe von Großwinkelkorngrenzen wächst MgO in die MgIn2O4-Produktschicht ein und kommt z.T. in direkten Kontakt mit dem In2O3. Es findet lokal kerne Produktbildung mehr statt. Aufgrund dieser Beobachtungen konnte ein erstmals Modell fiir die Morphologieausbüdung der Reaktionsfronten für Festkörperreaktionen in externen elektrischen Feldern ausgehend von lokal unterschiedlichen ionischen Überführungszahlen in Korngrenzen und in der Volumenphase aufgestellt werden. Im zweiten Teil des Projektes wurden die Erkenntnisse aus den Modellexperiment auf ein komplizierteres System mit mehreren Reaktionsprodukten angewendet. In dem gewählten System AI2O3/YAG/YAP/YAM/Y2O3 konnten analoge Durchwachsungsphänome - nur weniger ausgeprägt - beobachtet werden. Die Kinetik der Produktphasenbildung wird wieder von dem externen elektrischen Feld deutlich beeinflusst werden. Die Reaktionskinetik und damit die Dicke der einzelnen Produktschichten untereinander variiert abhängig von dem Vorliegen und der Polarität des externen elektrischen Feldes, Dies stellt eine Möglichkeit dar die Bildung bestimmter Phasen zu steuern bzw. die Bildung bestimmter Phasen zu unterdrücken. Zu den Experimenten sind theoretische Analysen im Rahmen der linearen Transporttheorie durchgeführt worden. Es konnten Beziehungen für die Reaktionskinetik für Systeme mit einer o$er mehreren Produktphasen in einen externen elektrischen Feld aufgestellt werden. Die Ergebnisse dieser Studien sind eine Grundlage zur Beschreibung und zur möglichen Vermeidung von Degradationsprozessen keramischer Funktionsmaterialien in elektrischen Feldern.
Publications
- Electric Field Driven Solid State Reactions - Microscopic Investigations of Moving Phase Boundaries in The System MgO / MgIn2O4 / In2O3. Phys. Chem. Chem. Phys. 5(24), 5530-5535 (2003)
C. Körte, N. D. Zakharov und D. Hesse
- Electric Field Driven Solid State Reactions - Investigation of the Reaction Kinetics and the Influence of Grain Boundaries on the Interface Morphology in the System MgO/MgIn2O4/In203. Phys. Chem. Chem. Phys. 7(2), 413-420 (2005)
C. Körte, B. Franz und D, Hesse
