Einfluss fehlpassungsinduzierter Spannungsfelder auf den Transportprozess bei ionischer Leitfähigkeit

Auf der Suche nach maßgeschneiderten Funktionskeramiken ist in den letzten zwei Dekaden die gezielte elastische Störung des Kristallgitters durch Grenzflächenspannungen in den Fokus der Forschung gerückt. Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss fehlpassungsinduzierter Grenzflächenspannungen auf den Transportprozess der Sauerstoffionen in yttriumdotiertem Zirkoniumdioxid YSZ besser zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein analytischesModell entwickelt, um die Grenzflächenspannung und -dehnung in kolumnaren Dünnschichten zu beschreiben. Hierdurch können die schichtdickenabhängige Leitfähigkeit und in Röntgenstrukturuntersuchungen bestimmtenmittleren Netzebenenabstände beschrieben und die Ausdehnung der verspannten Grenzfläche abgeschätzt werden. Als Modellsystem wurden (111)-orientierte Multischichten aus YSZ und einem Seltenerdsesquioxid SE2O3 (SE = Dy, Y, Er und Sc) auf (0001) Al2O3-Substratenmittels gepulster Laserdeposition hergestellt. Die Grenzflächendehnung wurde durchWahl des SE2O3 und die Textur durchWahl der Depositionsparameter variiert. Die Röntgenstrukturuntersuchungen zeigen eindrucksvoll den Abbau der Grenzflächendehnung. Die Ausdehnung des verspannten Bereichs variiert je nach Textur der Proben zwischen 3 nm und 10 nm. Je stärker die Filme texturiert sind, desto weiter ausgedehnt ist die verspannte Grenzfläche. Die ionische Leitfähigkeit, welche durch Impedanzspektroskopie bestimmtwurde, reagiert imgleichenMaße sensibel auf die Grenzflächenspannung wie auf Textureffekte und beide Effekte können nicht eindeutig voneinander getrennt werden. Proben mit nur einer azimutalen Vorzugsorientierung weisen eine unerwartete, anisotrope Leitfähigkeit auf, welche in Proben mit einer Fasertextur aufgrund einer geometrischen Mittlung nicht auftritt. Hoch texturierte Schichten zeigen die höchste Steigerung der ionischen Leitfähigkeit um bis zu 400 % bei einer Schichtdicke von etwa 100 nm, allerdings zeigen sie keine monotone Änderung der Leitfähigkeit mit weiter abnehmender Schichtdicke. Filme mit einer weniger stark ausgeprägten Textur zeigen die erwartete monotone Änderung der Leitfähigkeit als Funktion der Schichtdicke. Die hieraus abgeschätzte Ausdehnung der Grenzfläche stimmt gut mit den Röntgen-Spannungsmessungen überein. Die Entwicklung des Modells und die texturabhängigen, experimentellen Untersuchungen bilden einen weiteren Grundstein zum besseren Verständnis von Grenzflächenspannungen und deren physikochemischen Einflüssen. Es konnte gezeigt werden, dass neben materialbedingten Eigenschaften vor allem präparationsbedingte Eigenschaften, wie die Textur und der mittlere Durchmesser der kolumnaren Kristallite l entscheidenden Einfluss auf den Spannungsabbau und die ionische Leitfähigkeit besitzen.