Einfluss von Raumladungszonen auf Ionentransport an Korngrenzen in $M\text{O}_2$-Oxiden

Parras, Jana Patricia; De Souza, Roger Armand; Simon, Ulrich

doi:HT030809080

Einfluss von Raumladungszonen auf Ionentransport an Korngrenzen in $M\text{O}_2$-Oxiden

Parras, Jana Patricia^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jana Patricia Parras, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
De Souza, Roger Armand (Thesis advisor)^RWTH* ; Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06877
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/989599/files/989599.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 274005202 - SPP 1959: Manipulation of matter controlled by electric and magnetic fields: Towards novel synthesis and processing routes of inorganic materials (274005202) (274005202)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ceroxid (frei) ; Diffusion (frei) ; Ionentransport (frei) ; Korngrenze (frei) ; Oxide (frei) ; Raumladungszone (frei) ; ceria (frei) ; diffusion (frei) ; electric field (frei) ; elektrisches Feld (frei) ; grain boundary (frei) ; ion transport (frei) ; numeric simulations (frei) ; numerische Simualtionen (frei) ; oxides (frei) ; space-charge zone (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
In dieser Arbeit wurde durch systematische Simulationen auf Kontinuumsebene untersucht, wie sich Raumladungszonen an Korngrenzen in akzeptordotierten $M\text{O}_2$-Oxiden auf sowohl Sauerstoffionen- als auch Kationentransport auswirken. Die Korngrenzleitfähigkeit von Sauerstoffionen, die gegenüber der im Bulk vermindert ist, wurde unter Berücksichtigung der thermischen Historie der Proben simuliert und damit Daten aus Impedanzmessungen beschrieben. Dadurch ließ sich die Segregationsenergie der Leerstellen in den Korngrenzkern und die Raumladungspotentiale, die mit Werten analytischer Standardausdrücke verglichen wurden, ermitteln. Durch die Simulationen war es zudem möglich zu zeigen, dass auch die ionische Korngrenzleitfähigkeit eine Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck zeigen kann. Durch ein zusätzlich angelegtes elektrisches Feld konnten Strom-Spannungs-Kennlinien simuliert werden und daran ein Modell aus der Literatur zur Berechnung des Raumladungspotentials getestet werden. Diese Simulationen geben Hinweise auf eine notwendige Anpassung dieses Modells. Die in experimentellen Studien beobachtete beschleunigte Kationendiffusion entlang von Korngrenzen kann über zwei mögliche Wege erfolgen: den Korngrenzkern und die angrenzenden Raumladungszonen. Für Korngrenzdiffusion entlang von Raumladungszonen konnte durch Simulationen gezeigt werden, dass die Aktivierungsenthalpie genauso hoch sein kann wie für Bulkdiffusion. Darüber hinaus ließ sich dafür eine empirische Beziehung ableiten, die es bei Kenntnis der Raumladungsparameter und des Bulkdiffusionskoeffizienten ermöglicht, das Korngrenzdiffusionsprodukt, die effektive Korngrenzdicke und die Korngrenzdiffusivität vorherzusagen. Durch Vergleiche von Kationendiffusionsprofilen für verschiedene Kombinationen entlang der beiden möglichen Diffusionspfade mit Betrachtung diverser Merkmale konnte kein Kriterium gefunden werden, das es erlaubt, aus dem Diffusionsprofil auf den Pfad der beschleunigten Diffusion zu schließen. Die Ergebnisse zu den Aktivierungsenthalpien geben diesbezüglich jedoch einen Hinweis, da bei einer Enthalpie für die Korngrenzdiffusion, die sich dem Wert für Bulkdiffusion annähert oder ihn erreicht, auf dominierende Diffusion entlang der Raumladungszonen geschlossen werden kann.

The influence of space-charge zones at grain boundaries in acceptor-doped $M\text{O}_2$ oxides on both oxide ion and cation transport was studied by systematic continuum-level simulations.The diminished conductivity at grain boundaries compared to the bulk was simulated taking into account the thermal history of the samples, which allowed to describe data from impedance measurements. This yielded the segregation energy of vacancies to the grain-boundary core and space-charge potentials, which were compared with values obtained by applying standard analytical expressions. The simulations have also revealed that the ionic grain-boundary conductivity may display a dependence on oxygen‐partial pressure. By applying an external electric field, it was possible to simulate current-voltage characteristics and a model from literature for calculating the space-charge potential from this was tested; an adjustment of the model seems necessary.The accelerated cation diffusion along grain boundaries may occur along two possible paths: the interface core and the space-charge layers. For diffusion along the space-charge layers the simulations reveal that the activation enthalpy can be as high as, but cannot exceed, the activation enthalpy for bulk diffusion. Furthermore, an empirical expression was derived that allows, with knowledge of the bulk diffusion coefficient and the space-charge parameters, the prediction of the grain-boundary diffusion product, the effective grain-boundary thickness and the grain-boundary diffusion coefficient. By comparing simulated cation diffusion profiles for different combinations along the two possible diffusion paths with consideration of various characteristics, no criterion was found that allowed the dominant diffusion path to be identified. Consideration of the activation enthalpies, however, may provide an indication of the dominant path, since if the enthalpy for grain-boundary diffusion approaches or equals the value for bulk diffusion, it can be concluded that diffusion along the space-charge layers is dominant.

OpenAccess:
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