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Nanokristalline Dünnfilmelektrolyte

Nanokristalline Dünnfilmelektrolyte
Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Heike Störmer

Gegenstand des Projekts ist die Beantwortung der Frage, ob keramische Dünnschichten mit nanoskaliger Morphologie für den Einsatz in SOFCs (solid oxide fuel cell) Vorteile bieten. Die Verringerung der Kristallitgröße in den Nanometerbereich und die damit verbundene Erhöhung des Korngrenzanteils ist vielfach als Möglichkeit diskutiert worden, den ohmschen Widerstand von 8.5 mol% Y2O3-dotiertem ZrO2 (8YDZ) als Elektrolytmaterial zu optimieren. Allerdings sind kontroverse experimentelle Befunde diesbezüglich veröffentlicht.
Zur systematischen Studie von Korngrenzeffekten [1, 2] in nanoskaligem 8YDZ werden 8YDZ Dünnfilme mit mittlerer Korngröße d zwischen 5 nm (Abbildung a)) und knapp 1 μm untersucht. Diese wurden mittels eines Sol-Gel Verfahrens in Kombination mit Spin-Coating auf isolierenden Saphirsubstraten abgeschieden. Die Schichten weisen eine kubische Struktur mit tetragonalen Ausscheidungen (schwache Zusatzreflexe in der Elektronenbeugung, Abbildung b)), ähnlich der Mikrostruktur von mikrokristallinen 8YDZ Elektrolyten auf. Die Aufgabenstellung des Teilprojektes liegt in der Untersuchung der Mikrostruktur (Kristallitgröße, Phasenverteilung, Porosität) und Reinheit der hergestellten Schichten (Abbildung c)).
Die alternative Herstellung der Dünnfilme über das genutzte Verfahren bietet zudem die Möglichkeit, interessante Gesichtspunkte des Y2O3-ZrO2-Phasendiagramm zu studieren [1], da die Proben nicht wie bei herkömmlichen Routen (Sintern von Metalloxidpulvern) bei hohen Temperaturen (>1400 °C) ausgelagert wurden (Temperaturbereich Dünnfilme 600 °C < T < 1400 °C).

YDZ Dünnfilme

 

Poster:

Gordon Research Conference, Andover (NH, USA), 2008

 

Publikationen:

[1] B. Butz, H. Störmer, D. Gerthsen, M. Bockmeyer, R. Krüger, E. Ivers-Tiffée, M. Luysberg, Microstructure of nanocrystalline Y-doped zirconia thin films obtained by sol-gel processing, Journal of the American Ceramics Society, 91 [7] (2008) 2281-2289, DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02400.x

[2] C. Peters, A. Weber, B. Butz, D. Gerthsen, E. Ivers-Tiffée, Grain-size effects in YSZ thinfilm electrolytes, Journal of the American Ceramics Society, Accepted 2009