Structural and Dynamical Properties of Oxygen Vacancy-Enriched Perovskite Oxides

Perowskite sind eine Materialklasse, für die intensiv verschiedene Anwendungen untersucht werden, insbesondere im Bereich der Energieumwandlungstechnologien. Eine wesentliche Einschränkung dieser Technologien sind die hohen Betriebstemperaturen, die in der Regel die Leistungsfähigkeit der Bauteile begrenzen. Die Verwendung von Materialien, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, kann die Effizienz dieser Systeme erheblich verbessern. Sowohl die LSC (Lanthanum Strontium Cobaltit) als auch die LSGM (Lanthanum Strontium Gallium Magnesium Oxid) PerowskitMaterialien erfüllen diese Anforderung. Die gemischte elektronische und ionische Leitfähigkeit von LSC macht es zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Einsatz als Kathodenmaterial in solchen Geräten, während die Fähigkeit von LSGM, ausschließlich Sauerstoffionen zu leiten, es zu einem idealen Elektrolytmaterial macht. Diese Dissertation untersucht das Verhalten von Sauerstofffehlstellen in den LSC- und LSGM-Systemen anhand von vier separaten Studien:
1.Eine Studie über die Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und LSC in einer Brownmillerit-Strukur. Es wurde gezeigt, dass ein Elektronenstrahl eine Phasenumwandlung des LSC in seiner Brownmillerit-Phase hin zu einer sauerstoffdefizienten Perowskitstruktur auslöst. Während dieser Umwandlung scheint der gesamte Oxidationszustand des Materials erhalten zu bleiben und lediglich die Verteilung der Sauerstofffehlstellen ändert sich von geordnet zu zufällig.
2.Der zweite Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf das komplexe Zusammenspiel zwischen den Sauerstofffehlstellen und der kristallographischen Wuchsrichtung des LSC-Materials. Eine Brownmillerit-artige Ordnung der Sauerstofffehlstellen wurde in den (100)- und (110)-Orientierungen beobachtet. In der (111)-Orientierung hingegen wurde eine inhomogene Verteilung der Sauerstofffehlstellen festgestellt. Insbesondere erstreckte sich entlang der Grenzfläche zum Substrat eine etwa 10 nm dicke Region, in der keine Fehlstellenordnung vorlag. Jenseits dieser Grenzregion trat eine Ordnung vom Brownmillerit-Typ auf.
3.Eine Studie zur Untersuchung des Mechanismus der Spannungsrelaxation in LSC–STF-Mehrschichtsystemen mit variierenden Schichtdicken und dessen Zusammenhang mit den Sauerstofffehlstellen. Durch Reciprocal-Space-Mapping und Elektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung konnten deutliche Unterschiede im Zustand der beiden Systeme festgestellt werden. Insbesondere wurden unterschiedliche Mechanismen der Spannungsrelaxation zwischen den Proben beobachtet. In beiden Systemen ging die Spannungsrelaxation mit einem Konzentrationsgradienten der Sauerstofffehlstellen in Richtung Oberfläche einher.
4.Ein umfassender Vergleich zweier LSGM-Domänen, von denen eine orthorhombische Symmetrie und die andere monokline Symmetrie aufweist. Obwohl beide Domänen stöchiometrisch identisch sind, zeigt die monokline Domäne eine neuartige Ordnung der Sauerstofffehlstellen, die in der orthorhombischen Domäne nicht vorhanden ist. Dies unterstreicht den erheblichen Einfluss der Kristallsymmetrie auf das Verhalten von Sauerstofffehlstellen.