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ASPEKTE
1930er Jahren von C. Wagner und W. Schottky entwickelt wurde
[6]. Ausgehend von der Überlegung, dass kristalline Mischphasen
im Wechselspiel von Entropiegewinn und Enthalpiekosten
bei Temperaturen oberhalb 0 K immer eine defi nierte Konzentration
von nulldimensionalen Kristallbaufehlern (Punktdefekte)
aufweisen müssen, entstand in der Nachkriegszeit
während der rasanten Entwicklung der Halbleiterphysik mit der
Defektthermodynamik, -kinetik und letztlich der Defektchemie
ein eigenständiges Arbeitsgebiet. Die Entwicklung der Festkörperelektrochemie
(Solid State Ionics) ab den 1970er Jahren
profi tierte hiervon und förderte rückkoppelnd die weitere Entwicklung
des Gebiets.
Abb. 3: TEM-Aufnahmen einer nanoskaligen Multischicht aus einem kristallinen
Ionenleiter (YSZ) und einem kristallinen Isolator (Sc 2 O 3 ). Der Sauerstofftransport
entlang der dünnen YSZ-Schichten wird durch die nahezu kohärente
Grenzfläche kaum beeinflusst. Inkohärente Grenzflächen mit anderen
Oxiden führen zu merklichen Leitfähigkeitsbeiträgen (Bild bereit gestellt von
C. Korte, Gießen).
Heute gehört die Defektchemie zum Ausbildungskanon vieler
Materialwissenschaftler, die Entwicklung des Gebiets ist aber
bei weitem nicht abgeschlossen. Während in den ersten Jahrzehnten
nach 1930 das grundsätzliche Verständnis für Festkörperreaktionen
ganz allgemein im Vordergrund stand (z. B. in
den Arbeiten von W. Jost [7], später fortgeführt von C. Wagner
[8] und H. Schmalzried [9]), rückte ab 1950 die Kontrolle von
Halbleitereigenschaften in den Mittelpunkt (s. Monographie
von Kroeger [10] und Arbeiten von Vink). Ab Mitte der 1970er
Jahre – quasi im Kielwasser der ersten Ölkrise – begann die
verstärkte Arbeit an Materialien für elektrochemische Energietechnologien
(u. a. Erscheinen der Zeitschrift Solid State Ionics
mit Klaus Funke als einem der Gründungseditoren). Seit den
1990er Jahren wird die Defektchemie nanostrukturierter Systeme
untersucht, und heute stehen vor allem komplexe Systeme
im Mittelpunkt: amorphe, glasartige oder auch kristalline
metastabile Festkörper; nano- und mesoporöse Materialien
oder auch nanoskalige Schichtsysteme; Mehrkomponentensysteme
mit mehreren Untergittern, in denen Transport möglich
ist. Der von Klaus Funke initiierte SFB 458 an der Univer-
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BUNSEN-MAGAZIN · 11. JAHRGANG · 2/2009
Abb. 4: Einfluss der Gitterfehlpassung von Festelektrolyt und Isolator in einer
Multischicht (vgl. Abb. 3) und damit der Einfluss der Struktur innerer
Festkörpergrenzflächen auf die Leitfähigkeit entlang der Grenzfläche; dargestellt
ist das logarithmierte Verhältnis von Leitfähigkeit der Schichten
zur ungestörten Volumenleitfähigkeit. Dilative Verspannungen der ionenleitenden
Schicht erhöhen die ionische Leitfähigkeit, kompressive Verspannungen
verringern diese (Bild bereit gestellt von C. Korte, Gießen).
sität Münster, der erfolgreich seit vielen Jahren läuft und sich
nun dem Ende zuneigt, hat eben diese komplexen Materialien
und atomare Bewegung in ihnen zum Thema.
Die Untersuchung und das Verständnis der Defektchemie von
komplexen Oxiden, insbesondere auch der Einfl uss atomarer
Defekte auf die elektronische Struktur dieser Materialien spielt
für die Entwicklung neuer Materialien für Hochtemperaturbrennstoffzellen
und anorganische Membranen eine große Rolle. Die
Verknüpfung der thermodynamischen Skala des chemischen
Potentials von Materialkomponenten mit der physikalischen
Skala der Fermi-Energie bringt neue Einsichten und hilft, eine
physikalisch-chemische Brücke zwischen Festkörperchemie
und -physik zu etablieren. Ein aktuelles Beispiel ist in der Abbildung
5 dargestellt. H. D. Wiemhöfer untersucht z. B. mit seinen
Mitarbeitern und Partnern im Schwerpunktprogramm 1136 der
Abb. 5: Vereinfachtes Bandschema eines ionenleitenden Oxids (10YSZ), das
Stickstoffdefekte enthält, mit verschiedenen Energie- bzw. Potenzialskalen.
Die Sauerstoffaktivität über der Probe bestimmt die Lage des Fermi-Niveaus
und damit auch das Redox-Potenzial des Oxids (Bild bereit gestellt von H. D.
Wiemhöfer, Münster).