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001013964 001__ 1013964 001013964 005__ 20250816052424.0 001013964 0247_ $$2HBZ$$aHT031218310 001013964 0247_ $$2Laufende Nummer$$a44489 001013964 0247_ $$2datacite_doi$$a10.18154/RWTH-2025-05829 001013964 037__ $$aRWTH-2025-05829 001013964 041__ $$aEnglish 001013964 082__ $$a540 001013964 1001_ $$0P:(DE-82)IDM04618$$aUsler, Adrian Leonhard$$b0$$urwth 001013964 245__ $$aInvestigation of charge and mass transport in ion-conducting solids by means of continuum and atomistic simulations$$cvorgelegt von Adrian L. Usler, M. Sc.$$honline 001013964 260__ $$aAachen$$bRWTH Aachen University$$c2025 001013964 300__ $$a1 Online-Ressource : Illustrationen 001013964 3367_ $$02$$2EndNote$$aThesis 001013964 3367_ $$0PUB:(DE-HGF)11$$2PUB:(DE-HGF)$$aDissertation / PhD Thesis$$bphd$$mphd 001013964 3367_ $$2BibTeX$$aPHDTHESIS 001013964 3367_ $$2DRIVER$$adoctoralThesis 001013964 3367_ $$2DataCite$$aOutput Types/Dissertation 001013964 3367_ $$2ORCID$$aDISSERTATION 001013964 502__ $$aDissertation, RWTH Aachen University, 2025$$bDissertation$$cRWTH Aachen University$$d2025$$gFak01$$o2025-06-16 001013964 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 001013964 5203_ $$aEine zielgerichtete Entwicklung von Elektrokeramiken erfordert ein detailliertes Verständnis von Defekttransport sowohl innerhalb der kristallinen Körner als auch durch Korngrenzen hindurch. Diese beiden übergeordneten Themen werden in dieser Arbeit mithilfe geeigneter Simulationen behandelt. Der erste Teil dieser Arbeit ist der gängigen Praxis gewidmet, den Ionentransport eines Materials quantitativ zu untersuchen, indem ein Diffusionskoeffizient aus Molekulardynamik-Simulationen bestimmt wird. Diese Praxis wird im Hinblick auf den statistischen Fehler solcher Simulationen methodisch geprüft. Die Abhängigkeit des statistischen Fehlers von verschiedenen Simulationsparametern wird mithilfe von kinetic Monte Carlo (kMC) Simulationen analysiert. Auf der Grundlage der Resultate wird ein mathematischer Ausdruck entwickelt, mit dessen Hilfe der statistische Fehler leicht aus den Ergebnissen einer einzelnen Simulation abgeschätzt werden kann. In den folgenden Teilen werden Raumladungsphänomene an Korngrenzen in Festelektrolyten mithilfe von Kontinuumssimulationen untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Impedanz von Korngrenzen aus Drift–Diffusions-Simulationen berechnet, auf der Grundlage verschiedener Raumladungsmodelle. Insbesondere werden eingefrorene Akzeptor-Profile (mit einer Anreicherung der Akzeptoren an den Korngrenzen) im Rahmen des restricted-equilibrium-Modells beschrieben. Es wird untersucht, wie sich daraus systematische Fehler in der Bestimmung des Raumladungspotentials aus Impedanzdaten ergeben. Im dritten Teil werden Raumladungszonen in einer Kombination von atomistischen und Kontinuums-Perspektiven betrachtet. Zunächst werden Segregationsenergien von Sauerstoffleerstellen und Akzeptorkationen aus Molekularstatik-Simulationen einer Modell-Korngrenze erhalten. Anschließend wird auf der Kontinuumsebene untersucht, wie sich die Vielzahl verschiedener Segregationsenergien auf die Temperaturabhängigkeit des Raumladungspotentials auswirkt und in welchem Maße eine Vereinfachung des Raumladungsmodells dennoch sinnvoll möglich ist. Im vierten Teil wird Korngrenz-Impedanz aus Drift–Diffusions-Simulationen an Raumladungszonen in einer konzentrierten festen Lösung berechnet. Der Einfluss von Defekt–Defekt-Wechselwirkungen auf die Konzentrationsprofile in der Raumladungszone wird dabei im Rahmen des Poisson–Cahn-Modells behandelt. Im fünften Teil wird die Auswirkung verschiedener defektchemischer Regimes auf die Temperaturabhängigkeit des Raumladungspotentials untersucht. Auf dieser Grundlage wird diskutiert, wie sich diese Effekte auf die Interpretation von experimentellen Daten aus unterschiedlichen Temperaturbereichen auswirkt.$$lger 001013964 520__ $$aA rational design of electroceramics requires a detailed understanding of defect transport, both within the bulk of the crystalline grains and across the grain boundaries. These two overarching topics are approached in this work from a computational perspective. The first part of this work is dedicated to the common practice of predicting ion-transport properties by extracting a diffusion coefficient from Molecular Dynamcis simulations. This practice is subjected to methodological scrutiny with regard to the statistical error in the simulation outcome. The dependence of the statistical error on simulation parameters is analysed by means of kinetic Monte Carlo (kMC) simulations. On the basis of the results, a mathematical expression is introduced that allows for a simple assessment of the statistical error from a single simulation. In the following parts of this work, space-charge phenomena at grain boundaries in solid electrolytes are studied by means of continuum simulations. In the second part, grain-boundary impedance is calculated from drift–diffusion simulations of different space-charge models. Frozen-in profiles of accumulated acceptor cations at the grain boundaries are modelled in the scope of the restricted-equilibrium model. It is analysed how this feature translates into systematic errors in the determination of the space-charge potential from impedance data. In the third part, space-charge layers are approached from a combined atomistic and continuum perspective. First, segregation energies of oxygen vacancies and acceptor cations are obtained from Molecular Statics simulations on a model grain boundary. It is then studied on the continuum level how the variety of segregation energies affects the temperature dependence of the space-charge potential, and to which degree space-charge models may be simplified. In the fourth part, grain-boundary impedance is obtained from drift–diffusion simulations of space-charge layers in a concentrated solid solution. The influence of defect–defect simulations on the configuration of the space-charge layers is modelled in the scope of the Poisson–Cahn model. Lastly, in the fifth part, the effects of a transition between different bulk defect-chemical regimes on the temperature dependence of the space-charge potential are analysed, and it is discussed how the differences between these regimes lead to disparities between experimental data gathered in different temperature ranges.$$leng 001013964 536__ $$0G:(GEPRIS)274005202$$aDFG project G:(GEPRIS)274005202 - SPP 1959: Manipulation of matter controlled by electric and magnetic fields: Towards novel synthesis and processing routes of inorganic materials (274005202)$$c274005202$$x0 001013964 588__ $$aDataset connected to Lobid/HBZ 001013964 591__ $$aGermany 001013964 653_7 $$aDiffusion 001013964 653_7 $$aDrift-Diffusion 001013964 653_7 $$aElektrochemie 001013964 653_7 $$aFestkörper 001013964 653_7 $$aImpedanz 001013964 653_7 $$aKorngrenzen 001013964 653_7 $$aRaumladungszonen 001013964 653_7 $$aSimulation 001013964 653_7 $$adiffusion 001013964 653_7 $$adrift-diffusion 001013964 653_7 $$aelectrochemistry 001013964 653_7 $$agrain boundaries 001013964 653_7 $$aimpedance 001013964 653_7 $$asimulation 001013964 653_7 $$asolid-state 001013964 653_7 $$aspace-charge layers 001013964 7001_ $$0P:(DE-82)IDM01370$$aDe Souza, Roger Armand$$b1$$eThesis advisor$$urwth 001013964 7001_ $$0P:(DE-82)IDM00146$$aLüchow, Arne$$b2$$eThesis advisor$$urwth 001013964 8564_ $$uhttps://publications.rwth-aachen.de/record/1013964/files/1013964.pdf$$yOpenAccess 001013964 8564_ $$uhttps://publications.rwth-aachen.de/record/1013964/files/1013964_source.zip$$yRestricted 001013964 909CO $$ooai:publications.rwth-aachen.de:1013964$$popenaire$$popen_access$$pVDB$$pdriver$$pdnbdelivery 001013964 915__ $$0StatID:(DE-HGF)0510$$2StatID$$aOpenAccess 001013964 9141_ $$y2025 001013964 9101_ $$0I:(DE-588b)36225-6$$6P:(DE-82)IDM04618$$aRWTH Aachen$$b0$$kRWTH 001013964 9101_ $$0I:(DE-588b)36225-6$$6P:(DE-82)IDM01370$$aRWTH Aachen$$b1$$kRWTH 001013964 9101_ $$0I:(DE-588b)36225-6$$6P:(DE-82)IDM00146$$aRWTH Aachen$$b2$$kRWTH 001013964 9201_ $$0I:(DE-82)153110_20140620$$k153110$$lLehrstuhl für Physikalische Chemie I und Institut für Physikalische Chemie$$x0 001013964 9201_ $$0I:(DE-82)150000_20140620$$k150000$$lFachgruppe Chemie$$x1 001013964 961__ $$c2025-08-15T14:26:44.809817$$x2025-07-01T13:35:23.968874$$z2025-08-15T14:26:44.809817 001013964 9801_ $$aFullTexts 001013964 980__ $$aI:(DE-82)150000_20140620 001013964 980__ $$aI:(DE-82)153110_20140620 001013964 980__ $$aUNRESTRICTED 001013964 980__ $$aVDB 001013964 980__ $$aphd