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Oxidische Materialien: ZrO 2 Jürgen Janek Carsten Korte, Ilia Valov, Robert Klein, Andreas Peters Bjoern Luerßen, Holger Fischer, Eva Mutoro Marcus Rohnke, Sebastian Meiss Funding: DFG, FCI, BASF AG DFG-Schwerpunktprogramm 1136 www.chemie.uni-giessen.de/home/janek

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Oxidische Materialien: ZrO2

Jürgen Janek

Carsten Korte, Ilia Valov, Robert Klein, Andreas Peters

Bjoern Luerßen, Holger Fischer, Eva Mutoro

Marcus Rohnke, Sebastian Meiss

Funding: DFG, FCI, BASF AG DFG-Schwerpunktprogramm 1136

www.chemie.uni-giessen.de/home/janek

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24.06.2005AG Janek – Oxidische Materialien: ZrO2

ZrO2 als elektrokeramisches Material

• Die Elektrolytmembran (Energietechnologie)HT-Brennstoffzellen (SOFC) . . . . . Grenzflächenchemie

. . . . . unkonventionelle Brennstoffe

• Das Sensormaterial (Sensortechnologie)Elektrochemische SensorenIonische Langmuir-Sonden . . . . . . . . Plasmaanalytik

• Die Ionenpumpe (Oberflächenchemie/Plasmachemie)Elektrochemische Promotion . . . . . . smart surfacesIonenpumpen für Plasmen . . . . . . . . Plasmatechnologie

• Neue Materalien (und Funktionen…)Substitution/Dotierung . . . . . . . . . . . Stickstoffionenleiter

. . . . . . . . . . Lumineszenz . . . . . . . . . . Nanoskalige Multischichten

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24.06.2005AG Janek – Oxidische Materialien: ZrO2

ZrO2(+Y2O3) – Die „Nernstmasse“

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24.06.2005AG Janek – Oxidische Materialien: ZrO2

ZrO2(+Y2O3) – Die Nernstlampe

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Chemistry

EngineeringPhysics

Solid State Ionics – Open questions?

Bulk properties/phenomena:- Equilibrium defect structures- Non-equilibrium defects (low-T)- New electrolytes - Optimisation of functional materials

Interfacial phenomena:- surfaces of ionic solids- solid/solid electrodes- kinetics of inner boundaries- interfaces plasma/ionic material

Galvanic cells:- new sensors- new fuel cells/batteries- thermovoltaics

Methods:- in situ spectroscopy/microscopy- microelectrodes- micro- and nano-ionics

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Electrochemical surface control

Electrochemical generation of „spillover“ species- e. g. oxygen on platinum- e.g. sodium on platinum

many studies - but no in situ studies on microscopic details

Electrochemical „Switching“ of catalysts MeOx on YSZ

- thin films of oxides (PLD)

- e. g., Fe2O3 → Fe3O4 → Fe1-xO → Fe

no investigations yet (to our knowledge…)

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Electrochemical surface control

24,0 s22,8 s22,0 s21,2 s20,4 s19,6 s18,8 s18,0 s

0 s

350 µm

diffusion coefficient of atomic oxygen: DO[Pt(111), 200°C] = 5.2·106 cm2/s

diffusion coefficient corresponding to work function front: D[Pt(111), 400°C] 5·105 cm2/s

T = 400 °Cp(O2) = 10-5 mbar YSZ surfacePt surfacePt surface

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interface

bulkd

Gr

Vol

electrolyte

insulator

2 (Gr

– Vol

) ≈ 2 Gr

if Gr

Vol

Vol

Gr

1/d

2 (Gr

– Vol

)

1/

Ionic conductivity vs. layer periodicity

interface

bulkelectrolyte

Ionic transport in boundary regions

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Vol

Gr

1/d

2 (Gr

– Vol

)

1/

Overlap of space charge regions,strong increase in conductivity

c( )VAn /

dd = δd > δ d < δ

[1] Sata, Eberman, Eberl und Maier, Nature 408, 946-949 (2000)[2] Sata, Jin-Philipp, Eberl und Maier, Solid State Ionics 154-155,

497-502 (2002)

(in the case of CaF2/BaF

2 für d > 50 nm)

or

structural disorder,small change of σ

Gr

with periodicity

c( )VAn /

dd = δd > δ d < δ

Ionic transport in boundary regions

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systems:

ZrO2(+ 12 mol% CaO) / Al

2O

3

● high concentration of mobileoxygen vacancies

● small Debye length, lD ≈ 10 nm

Target-halter

Konvex-linse

Laserstrahl(248 nm)

Turbopumpe undDrehschieberpumpe

Gaseinlass mitDruckregelung

Plasma

Target

Substrat-heizung

Substrat

500 nm

Al2O

3

Al2O

3

ZrO2

500 nm

2 µm

Al2O

3

ZrO2/Al

2O

3

SEM images U

porousPt-electrode

porousPt-electrode

I

jO2-

½ O2 + 2 e– = O2– O2– = ½ O

2 + 2 e–

substrate

Pulsed Laser Deposition:

500 nm

Ionic transport in boundary regions

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conductivity increases with 1/d by 2 orders of magnitude

Interface:2δσ

Gr ≈ 2,4 · 10-9 S (600 °C)

δ < 10-9 m(TEM results)

σGr

≈ 1,2 · 10-2 S/cm (600 °C)

cf. σVol

≈ 6,0 · 10-6 S/cm

about 4 orders of magnitude

ZrO2 (+ 12 mol% CaO) / Al

2O

3

40 nm100 nm200 nm 50 nm67 nm 33 nm

co

nduc

tivity

reciprocal thickness

Ionic transport in boundary regions

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Ion emission from YSZ

Y. Torimoto et al., Jpn. J. Appl. Phys. 36 (1997) L238Y. Fujiwara at al., J. Electrochem. Soc. 150 (2003) E117

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Ion pumping into plasmas

~

13.56 MHz

O2 O2 O

O

Ion emission

Ion desorption

YSZ

Plasma

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Optisches System:- Nd:YAG gepumter Farbstofflaser (10 Hz / 355 nm)- Farbstoff : 1:1 Mischung Coumarin 47/ 120 - Filter : (846 + 3) nm

Parallelplattenentladung:- kapazitiv, asymmetrisch- f = 13,56 MHz max. Ueff ~ 600 V

Arbeitsgas : Sauerstoff- p = 5 - 100Pa- Gasfluß = 3 - 10 sccm

Electrodes:- radius r = 40 mm, - distance d = 15 - 100 mm

Resolution: axial: - max. shift 100 mm,- min. step size 0,3 mm, - min. distance beam-electrodes 0,5 mm

radial:- max. shift 76 mm,- min. sep size 1 mm

Institut für PhysikUniversität Greifswald

Ion pumping into plasmas

TALIF-Experiment

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24.06.2005AG Janek – Oxidische Materialien: ZrO2

axial position / mm

0 10 20 30 40 50

fluor

esce

nce

inte

nsity

/ a

.u.

0.0

0.5

1.0

1.5

grounded, U = 0 VU = -0,5 VU = - 10 VU = + 10 VU = +10 V

Ion pumping into plasmas

oxygen atom density

M. Rohnke, S. Peters, J. Janek and J. Meichsnersubmitted to J. Appl. Phys. (2004)

YSZ electrode

steel electrode

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(Zr,Y)(N,O)2 – A nitrogen electrolyte

1 cm

as-deposited

annealed at 700 °C for 15 min

15 min at 700 °C

applied voltage U = -2.2V

as-deposited films show dark violet color

SIMS analysis proofs that nitrogen remains in YSZ after annealing (i.e. the violet color is related to reduction of YSZ)

YSZ single crystal(111)or(100)

+

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(Zr,Y)(N,O)2 – A nitrogen electrolyte

0 1000 2000 3000 400010-4

10-3

10-2

10-1

100

101

single crystal YSZ/ N-YSZ (+18O)/ YSZDeposition temperature - 500 °CLayer thickness - approx. 1 µm

90

Zr14

N /

90Z

r16O

Depth / nm

as-deposited(500 °C deposition temperature)

18O

/ (1

6O +

18O

)

YSZ/AlYSZ/Al22OO33

MultilayersMultilayers100nm/layer100nm/layer

YSZ/AlYSZ/Al22OO33

MultilayersMultilayers100nm/layer100nm/layer

YSZYSZ

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0 500 1000 150010-4

10-3

10-2

10-1

100

101

YSZ/N-YSZ (+18O)/YSZAnnealed at 700 °Ct = 15 min.

18O

/ (18

O +

16O

)

90

Zr14

N /

90Z

r16O

Depth / nm

(Zr,Y)(N,O)2 – A nitrogen electrolyte

thermally annealed700 °C, 15 min

18O

/ (1

6O +

18O

)

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0 1000 2000 3000 4000 5000

Ag/YSZ/N-YSZ (+18O)/YSZ/AgT = 700 °Ct = 15 min.U = -2.2 V

18O

/ (18

O +

16O

)

Depth / nm

(Zr,Y)(N,O)2 – A nitrogen electrolyte

field experiment700 °C for 15 minU = -2.2 V 1

8O / (

16O

+ 1

8O)

oxygen is much faster than nitrogen

The applied electric field influences the nitrogen profile…

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Dr. Marcus RohnkeDr. Bjoern Luerssen Bernhard Franz

Boris Mogwitz Dr. Carsten Korte

Ilia Valov Robert Klein

Klaus Peppler Eva Mutoro

Dr. Doh-Kwon LeeHolger FischerAndreas PetersSebastian MeißClaus C. Fischer

Prof. Jürgen Janek

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