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Struktur und Dynamik Poster: Mi., 14:00–16:30 M-P137
Synchrotron- und Neutronenstreuung an Sc-(N)-dotiertem Zirkoniumdioxid
Ines Kaiser-Bischoff 1 , Hans Boysen 1 , Friedrich Frey 1 , Martin Lerch 2 , Jens-
Uwe Hoffmann 3 , Carsten Paulmann 4 , Björn Pedersen 5 , Markus Hölzel 6 ,
Anatoliy Senyshyn 6
1 LMU München, Department für Geo- und Umweltwissenschaften, Sektion Kristallographie,
Am Coulombwall 1, 85748 Garching – 2 TU Berlin, Institut für Chemie, Strasse
des 17. Juni 135, 10623 Berlin – 3 BENSC/Uni Tübingen, HMI, Glienickerstrasse 100,
14109 Berlin – 4 Hasylab/Uni Hamburg, DESY, Notkestrasse 85, 22607 Hamburg – 5 TU
München, Forschungsneutronenquelle FRM-II, Lichtenbergstrasse 1, 85747 Garching –
6 TU Darmstadt, Materialwissenschafen, Petersenstrasse 23, 64287 Darmstadt
ZrO2, dotiert mit Sc2O3, gehört zu den Materialien mit den höchsten Sauerstoffionenleitfähigkeiten.
In Abhängigkeit vom Dotiergehalt (Sc/N) bilden sich Strukturen mit
geordneten Leerstellenverteilungen. Diese rhomboedrischen Überstrukturen lassen sich
von der bei hohen Temperaturen realisierten Fluoritphase (Fm3m) ableiten, die eine
statistische Verteilung der Leerstellen und N/O zeigt. Ziel der Untersuchungen ist,
die Ordnungsprinzipien der Überstrukturen und den Einfluss der Co-Dotierung mit
Stickstoff zu verstehen, sowie die Anionendiffusion zu charakterisieren.
Während kubisch-stabilisierte ZrO2-Phasen (z.B. mit Y2O3) eine charakteristische
diffuse Streuung bei RT zeigen, die durch rhomboedrische Nahordnung bewirkt wird,
wird diese bei Zr0.82Sc0.18O1.91 erst bei hohen Temperaturen nach dem Übergang in
die kubische Phase beobachtet (Gerät E2/HMI).
Zur Bestimmung der Überstrukturen wurden verschiedene Proben mit Synchrotron-
(Gerät F1/Hasylab) und Neutronenstreuung (Gerät RESI/FRM2) untersucht. Während
die ternäre Probe (Zr-Sc-O) mit ca. 10mol% Sc2O3 die β-Phase (R-3) zeigt [1], führt die
Co-Dotierung mit Stickstoff zu einer anderen Überstruktur. In der Literatur wird die
Überstruktur im System Zr-Mg-O-N mit der β’-Phase beschrieben [2], die ein ähnliches
Reflexmuster wie Zr-Sc-O-N zeigt. Zusätzliche Reflexe deuten eventuell auf eine andere
Überstruktur oder vielfache Zwillinge hin. Neutronenpulvermessungen am Gerät SPO-
DI/FRM2 konnten hingegen bei RT mit der β’-Phase verfeinert werden. Im Gegensatz
zum System Mg-Zr-O-N zeigt sich hier keine N/O-Ordnung.
Zur Charakterisierung der Anionendiffusion wurden Hochtemperatur-Pulvermessungen
am Gerät SPODI (FRM2) durchgeführt. Die Diffusion findet hauptsächlich entlang der
-Richtungen statt, mit einer Potentialschwelle von ca. 1.5 eV bei 1700 ◦ C.
[1] K. Wurst, D.J.M. Bevan, J. Mohyla, M. Hofmann und E. Schweda, Solid State
Sciences, 5 (2003) 1491.
[2] M. Lerch, H. Boysen, and P.G. Radaelli, J. Phys. Chem. Solids 58 (10) (1997) 1557.