Elektrische und materialwissenschaftliche Charakterisierung von mittels der aerosolbasierten Kaltabscheidung hergestellten Ce1-xZrxO2-δ-Schichten

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Budras, Elisabeth:
Elektrische und materialwissenschaftliche Charakterisierung von mittels der aerosolbasierten Kaltabscheidung hergestellten Ce1-xZrxO2-δ-Schichten.
Bayreuth , 2021
( Bachelor thesis, 2021 , Universität Bayreuth, Lehrstuhl Funktionsmaterialien)

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In dieser Arbeit wurden Cer-Zirkon-Mischoxid-Schichten (CZO-Schichten) in fünf verschiedenen Zusammensetzungen (ZrO2-Anteil x = 0; 0,20; 0,33; 0,50; 0,67) mit der aerosolbasierten Kaltabscheidung hergestellt und elektrisch untersucht. Fokus der Arbeit waren die Abscheidung und die anschließende Charakterisierung der Beschichtungen auch im Vergleich zu schon untersuchten Bulk-Proben. Mit der Pulveraerosoldepositionsmethode (PAD) wurden dünne (ca. 100 – 400 nm), dichte Schichten abgeschiedenen, die eine gute Haftung zeigen. Die Mischoxide wurden dabei auf Al2O3-Substrate gesprüht, die mit 4 Leiter- und Interdigitalelektrodenstrukturen bedruckt waren. Die hergestellten Schichten wurden bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken (0,2 – 10 22 bar) und Temperaturen (600 – 900 °C) elektrisch charakterisiert und die gemessenen Leitfähigkeiten wurden mit vorher untersuchten Bulk-Proben verglichen. Trotz der dünnen Schichten verhalten sich die nanokristallinen CZO materialtypisch und können in das defektchemische Modell eingeordnet werden. Im Vergleich zu den Bulk-Proben besitzt die elektrische Leitfähigkeit der PAD-Proben eine geringere Aktivierungsenergie, ihre Sauerstoffaustauschkinetik ist schneller und die Schichten weisen bei gleichen Bedingungen ein größeres Sauerstoffdefizit auf. Auf Grund der Nanokristallinität und der dünnen Schicht konnten die defektchemischen Gleichgewichte genau untersucht werden. Die ADM-Proben zeigten im stark reduzierten Bereich ein Maximum der Leitfähigkeitswerte, welches auf das sinkende Angebot von Ce4+ zurückzuführen ist und auf eine Limitierung des Small-Polaron-Hoppings hindeutet. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass bei diesem Versuch die Probe mit einem ZrO2-Gehalt von 80 % die größte Leitfähigkeitssteigerung im Vergleich zum reinen CeO2 aufweist. Die Ergebnisse dieser Arbeit stehen damit in guter Übereinstimmung mit der Literatur.