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Artikelaktionen

Forschungsaktivitäten

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

Im Rahmen des vom BMBF im Rahmen des Nachwuchswettbewerbs „NanoMatFutur“ geförderten Projekts werden neue Methoden zur Herstellung von Elektronenleiter-Ionenleiter-Kompositen mit wohl-definierter Nanostruktur entwickelt, um die Speicherfähigkeit und die Transportprozesse an der Grenzfläche zu untersuchen und zu optimieren. Hierfür werden die physikalischen Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf ionenleitende Systeme übertragen, um gezielt Grenzflächen auf der mikroskopischen Skala einzubauen. Das Gesamtziel des Projektes ist es, ein detailliertes Verständnis für die Transporteigenschaften der nanostrukturierten Komposite zu erhalten und insbesondere den Einfluss der Randschichten auf die Transport- und Speichereigenschaften aufzuklären. Durch die Optimierung der Nanostrukturierung werden die makroskopischen Transporteigenschaften der Komposite gezielt eingestellt. Als Modellmaterialien dienen hierbei Lithium-Ionenleiter als auch sauerstoffionenleitende Oxide. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss der Grenzflächen soll die ideale Morphologie identifiziert werden, um eine signifikant erhöhte Lithium-Speicher­fähigkeit bzw. eine erhöhte Leitfähigkeit für Sauerstoff zu erreichen. Mit Hilfe der optimierten Komposite sollen in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie Feststoffbatterien mit optimierten Kathodeneigenschaften sowie funktionstüchtige Sauerstoffmembrane mit reduzierter Betriebstemperatur realisiert werden.

Photoelektrokatalyse mit porösen koordinierten Polymeren – Architekturdesign, Morphologiekontrolle und Transportprozesse

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms “Coordination Networks: Building Blocks for Functional Systems”  (SPP 1928 COORNETs) werden in Zusammenarbeit mit Prof. Bettina Lotsch (MPI Stuttgart) und Prof. Jürgen Senker (Universität Bayreuth) integrierte Plattformen poröser koordinierter Polymere, auch metall-organische Gerüstverbindungen (MOF) genannt, für die (photo-) elektrokatalytische Wasserspaltung untersucht. Das Projekt zielt hierbei auf das Erlangen eines fundamentalen Verständnisses der photokatalytischen Reaktionen in MOF-basierten Systemen. Unsere Arbeitsgruppe untersucht hierbei hauptsächlich die (photo-) elektrochemischen Eigenschaften dieser Architekturen, um den Ladungstransport und – transfer innerhalb der MOF-Architektur, an den Elektroden sowie an den Phasengrenzen zu charakterisieren.

Sauerstoffionen- und Protonenleitfähigkeit in Oxiden mit definierter Grenz- und Oberflächenstruktur

Keramiken wie z.B. Cerdioxid (CeO2) und yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) sind im Bereich der Katalyse, der Sauerstoffspeicherung oder als Festelektrolyt in Sauerstoffbrennstoffzellen von großem Interesse. Der Ladungstransport in diesen Materialien wird hierbei zum einen an mittels gepulster Laserdeposition hergestellten Dünnschichten und zum anderen mesoporösen Dünnfilme untersucht. Die Charakterisierung mit elektrochemischen Methoden soll hierbei den Einfluss der Mikrostruktur, speziell aber auch den Einfluss von Oberflächen- und Grenzflächeneffekten auf die Sauerstoffleitfähigkeit aufklären. Hierbei sind vor allem mesoporöse Materialien, welche in Kooperation mit Dr. Torsten Brezesinski(Karlsruher Institut für Technologie) hergestellt und charakterisiert werden, aufgrund ihres hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses ideale Modellsysteme. Im DFG Projekt EL 863/3-1, “Defektchemie und Protonenleitfähigkeit von Polymer-templatierten mesostrukturierter Dünnfilme oxidischer Keramiken und daraus abgeleiteter Nanokomposite” wird der Einfluss der regulären Morphologie und der großen Oberfläche auf den Transport der Ladungsträger untersucht. Erste Ergebnisse zeigen starke Unterschiede des Verhaltens der Oxide im Vergleich zu den Eigenschaften des Volumenmaterials. Zusätzlich konnte bereits eine starke Abhängigkeit des ionischen Transports von dem Wassergehalt in der umgebenden Gasatmosphäre beobachtet werden.

YSZH2O.png
Die Leitfähigkeit einer mesoporösen 8 mol% YSZ-Dünnschicht in trockener und feuchter Atmosphäre.

Literatur:

  • M.T. Elm, J. D. Hofmann, S. Suchomski, J. Janek, T. Brezesinski, “Ionic conductivity of mesostructures yttria-stabilized zirconia thin films with cubic pore symmetry – On the influence of water on the surface oxygen ion transport”, ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 11792 (2015), doi:10.1021/acsami.5b01001
  • J. Yue, C. Suchomski, P. Voepel, R. Ellinghaus, M. Rohnke, T. Leichtweiss, M.T. Elm, B.M. Smarsly, “Mesoporous Niobium-doped Titanium Dioxide Films from the Assembly of Crystalline Nanoparticles: on the Relationship between Band Structure, Conductivity and Charge Storage Mechanism”, J. Mater. Chem. A 5, 1978 (2017), doi:10.1039/C6TA06840E

Mesoskopische Transportprozesse in GaN-Nanodrahtstrukturen

Die elektrischen Transporteigenschaften von GaN-Nanodrähten sind vor allem für optoelektronische Anwendungen von großem Interesse. Germanium-dotierten GaN-Nanodrähte, welche in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Martin Eickhoff in Bremen gewachsen werden, zeigen Fluktuation der Leitfähigkeit in Abhängigkeit eines externen Magnetfelds, was sie zu idealen Modellsystemen für die Untersuchung von mesoskopischen Transportprozessen macht. Da die Fluktuationen stark von den Ladungsträgern und der Dimension der Transportpfade in den Drähten abhängen, sollen in Untersuchungen der Einfluss der Oberflächenzustände sowie der Einbau von Tunnelbarrieren in Form von isolierenden Zwischenschichten (Nanodisks) auf die Transporteigenschaften aufgeklärt werden.

GaNOszillationen.png
Typische Änderungen der Leitfähigkeit ΔG(B) in Einheiten von e²/h bei verschiedenen Temperaturen. Während Nanodrähte ohne Ge-Dotierung nur einen schwachen Lokalisierungseffekt zeigen, treten mit steigendem Ge-Gehalt universelle Leitfähigkeitsfluktuationen in den Nanodrähten auf.

Literatur:

  • M. Schäfer M. Schäfer, M. Günther, C. Länger, P. Uredat, M.T. Elm, M. Feneberg, P. Hille, J. Schörmann, J. Teubert, T. Henning, P.J. Klar, M. Eickhoff, “Electrical properties of Ge-doped GaN nanowires“, Nanotechnology 26, 135704 (2015), doi:10.1088/0957-4484/26/13/135704
  • M.T. Elm, P. Uredat, J. Binder, L. Ostheim, M. Schäfer, P. Hille, J. Müßener, J. Schörmann, M. Eickhoff, P.J. Klar, “Doping induced universal conductance fluctuations in GaN nanowires”, Nano Lett. 15, 7822 (2015), doi:10.1021/acs.nanolett.5b02332

Transport in ferromagnetischen Hybridstrukturen für die Spintronik

Aufgrund ihrer ferromagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur sind MnAs Nanocluster sind von großem Interesse für spintronische und magnetoelektronische Anwendungen. In Kooperation mit Prof. Hara (Research Center for Integrated Quantum Electronics, Hokkaido Universität, Japan) werden daher die elektrischen Transporteigenschaften halbleitenden III-V Nanodrähten mit ferromagnetischen MnAs Nanoclustern untersucht. Hierfür werden MnAs Nanocluster in einem zweiten Wachstumsprozess endotaxisch auf GaAs und InAs Nanodrähten gewachsen, wobei deren Dichte und Größe durch die Wachstumsparameter beeinflusst werden kann. 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 magnetischen Nanodraht-Hybridstrukturen liefern und zum anderen das Potential dieser Hybridstrukturen für spintronische Anwendungen bewerten.

Hybride.png
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von MnAs/InAs Hybridnanodrähte. Die Nanocluster wurden jeweils bei (a) 490, (b) 540 und (c) 580 oC für 1 min gewachsen.

Literatur:

  • M.T. Elm, P.J. Klar, S. Ito, S. Hara and H.-A. Krug von Nidda, “Effect of the cluster magnetization on the magnetotransport at low temperatures in ordered arrays of MnAs nanoclusters on (111)B GaAs”, Phys. Rev. B 84, 035309 (2011), doi:10.1103/PhysRevB.84.035309
  • M.T. Elm, S. Hara, “Transport Properties of Hybrids with Ferromagnetic MnAs Nanoclusters and Their Potential for New Magnetoelectronic Devices”, Adv. Mater. 26, 8079 (2014), doi:10.1002/adma.201403136
  • M. Fischer, M.T. Elm, S. Sakita, S. Hara, P. J. Klar, “Magnetoresistance effects and spin-valve like behavior of an arrangement of two MnAs nanoclusters”, Appl. Phys. Lett. 106, 032401 (2015), doi:10.1063/1.4906036