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Artikelaktionen

Forschungsaktivitäten

Nanostrukturierte Ionenleiter-Komposite als Schlüsselkomponenten für effiziente Energiespeicher- und –wandlertechnologien (NIKO)

Gemischtleitende Oxide spielen vielen Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung und –umwandlung eine große Rolle. So ist z.B. eine effektive Speicherung von Lithium in Batterieelektroden nur möglich, wenn neben einer ausreichenden ionischen auch eine ausreichende elektronische Teilleitfähigkeit vorliegt. Typischerweise besitzen gute Ionenleiter aber eine schlechte elektronische Leitfähigkeit und umgekehrt. Im Rahmen des vom BMBF geförderten „NanoMatfutur“-Projekts Niko werden daher neue Methoden zur Herstellung von künstlichen, gemischtleitenden Elektronenleiter-Ionenleiter-Kompositen mit wohl-definierter Nanostruktur entwickelt. Hierbei stehen Lithiumionenleiter, speziell Kathodenmaterialien, für optimierte Lithium-Ionen-Batterien im Fokus der Forschungsaktivitäten aber auch Sauerstoffionenleiter als Ausgangsmaterial für Sauerstoffmembrane. Der Einfluss von Grenz- und Oberflächen der nanostrukturierten Materialien auf die Transporteigenschaften der Ladungsträger sowie die Speicherfähigkeit der neutralen Spezies an der Grenzfläche werden an Modellsystemen mit wohldefinierten Grenzflächen. Dünnschichten dienen zum Beispiel als Modellkathode, um den Einfluss einer Oberflächenmodifizierung auf die elektrochemischen Eigenschaften und die Stabilität des Kathodenmaterials zu untersuchen. Parallel dazu werden ebenfalls Untersuchungen an realen Systemen durchgeführt, um die entwickelten Strategien zu testen. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss der Grenzflächen und der Nanostrukturierung werden mit Partnern aus der Industrie Lithiumionen- und Feststoffbatterien mit optimierten Kathodeneigenschaften sowie funktionstüchtige Sauerstoffmembrane mit reduzierter Betriebstemperatur entwickelt.

Niko

Transportprozesse in Oxiden mit definierter Grenz- und Oberflächenstruktur

Gemischtleitende und Sauerstoffionen-leitende Oxide, wie z.B. Cerdioxid (CeO2) und Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), sind im Bereich der Katalyse, der Sauerstoffspeicherung, als Elektrodenmaterialien in Batterieanwendungen oder als Festelektrolyt in Sauerstoffbrennstoffzellen von großem Interesse. Die elektrochemischen Eigenschaften der Oxide können hierbei nicht nur durch Dotierung, sondern auch durch Nanostrukturierung stark variiert werden. In der Arbeitsgruppe wird daher der Einfluss von Grenz- und Oberflächen auf die elektrochemischen Eigenschaften an porösen Dünnschichten und mesoporösen Filmen untersucht. So beeinflusst die poröse Architektur und Oberflächenbeschaffenheit der Filme nicht nur die Leitfähigkeit der Elektronen und Sauerstoffionen im Material, sondern auch die Protonenleitfähigkeit sowie die Lithiumspeicherfähigkeit an der Oberfläche.

Die porösen Dünnschichten werden mit gepulster Laserdeposition abgeschieden, während die mesoporösen Filme  in Kooperation mit Dr. Torsten Brezesinski (Karlsruher Institut für Technologie) und Prof. Bernd Smarsly (Physikalische Chemie, JLU) hergestellt und charakterisiert werden. Insbesondere mesoporöse Systeme eignen sich aufgrund ihres hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses und ihrer definierten Porenanordnung als Modellsysteme, um den Einfluss der Nanostruktur zu ermitteln. Die Eigenschaften der Oberfläche werden zusätzlich durch Beschichtung mittels Atomlagenabscheidung im Nanometerbereich variiert, um die Eigenschaften der Strukturen gezielt zu variieren. Die Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften erfolgt hauptsächlich mittels elektrochemischer Impedanzspektroksopie. Die frequenzabhängige Messung des Wechselstromwiderstandes ermöglicht es hierbei, die verschiedenen Transportprozesse in den Materialien aufzuklären.

Meso

Transporteigenschaften von Halbleiter-Nanodrähte

Halbleitende Nanodrähte sind vielversprechende Bausteine für neuartige nanoskalige Halbleiterbauelemente, wie z.B. Nanodrahtfeldeffekttransistoren.  Nanodrähte zeichnen sich durch ein großes Aspektverhältnis aus, mit Längen von einigen Mikrometern und einem Durchmesser von wenigen 10 bis 100 Nanometern. Insbesondere aufgrund des geringen Durchmessers können statistische Schwankungen in der Verteilung der Dotieratome und anderer Störstellen einen entscheidenden Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften haben. In der Arbeitsgruppe werden daher die elektrischen Eigenschaften von Nanodrähten genauer untersucht, um solche Effekte besser zu verstehen und für nanoskalige Bauelemente nutzen zu können.

Die Arbeiten konzentrieren sich hierbei auf zwei Systeme. Ge-dotierte GaN-Nanodrähte, welche in Zusammenarbeit mit Dr. Jörg Schörmann mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen werden, zeigen unter anderem Fluktuationen der Leitfähigkeit in Abhängigkeit eines externen Magnetfelds. Diese Fluktuationen entstehen aufgrund des Wellencharakters der Elektronen. Auf ihres Wegs durch den Draht werden die Elektronen gestreut und interferieren, weswegen es zu Variationen des Widerstandes in Abhängigkeit des Magnetfelds kommt. Da diese Fluktuationen stark von den Ladungsträgern und der Dimension der Transportpfade in den Drähten abhängen, wird der Einfluss verschiedener Störstellen, der Oberflächenzustände sowie der Einbau von Tunnelbarrieren in Form von isolierenden Zwischenschichten (Nanodisks) auf die Transporteigenschaften genauer untersucht. Neben den GaN-Nanodrähten wird auch der Transport in InAs Nanodrähten und InAs/MnAs Hybridnanodrähten untersucht, bei denen ferromagnetische MnAs Nanocluster in die Drahtstruktur eingebracht sind. Durch die ferromagnetischen Eigenschaften der Cluster sind solche Strukturen für Anwendungen im Bereich der Spintronik von großem
Interesse. Die Nanodrähte werden in Kooperation mit Prof. Hara (Hokkaido Universität, Japangewachsen, wobei die MnAs Nanocluster in einem zweiten Wachstumsprozess endotaxisch auf GaAs und InAs Nanodrähten gewachsen werden. Die Dichte und Größe der Cluster kann hierbei durch die Wachstumsparameter beeinflusst werden. Untersuchungen im Rahmen des DFG-Projekt  EL 863/4-1 “Strukturelle Charakterisierung und Transporteigenschaften ferromagnetisch-halbleitender Nanodraht-Hybridstrukturen für nanospintronische und nanoelektronische Anwendungen” sollen zum einen ein fundamentales Verständnis der Transportprozesse in den magnetischen Nanodraht-Hybridstrukturen liefern und zum anderen das Potential dieser Hybridstrukturen für spintronische Anwendungen bewerten.

NW-Schema