Wir untersuchen Sauerstoff-Jodenleiter, wir versuchen neue Sauerstoff-Jodenleiter zu finden,

wir machen Experimente, wir machen Simulationen, wir entwickeln Membranenmaterialien, versuchen die physikalisch-chemischen Mechanismen zu verstehen und so weiter und so fort. Das ist sozusagen die Einordnung des Arbeitsgebietes.

Ok, kommen wir mal zu etwas konkreteren Beispielen. Nachdem ich jetzt so ein bisschen das Umfeld erläutert habe, in dem wir uns bewegen, will ich mal ganz drei konkrete Beispiele Ihnen berichten. Das eine ist die Fortführung der Frage, was muss ein gutes Sauerstoff-Jodenleitendes Material leisten?

Also da kann man ganz simpel argumentieren, man kann sagen, die Sauerstoff-Jodenleitfähigkeit muss groß sein, damit der Widerstand klein ist. Und dann gibt es seit ungefähr zehn Jahren die These, naja, dann gehen wir doch go nano. Wie in vielen Gebieten, strukturieren wir das Material doch mal in nanokristalliner Form,

also machen die Korngröße immer kleiner. Und dann war die lange gehegte Vermutung in der Literatur, dann werden die Korngrenzen schon schnelle Transportwege sein für den Sauerstoff und das Ganze wird ein super Jodenleiter. Es gab auch zwei experimentelle Untersuchungen dazu, die haben auf Konferenzen sehr großes Aufsehen erregt.

Ganze Konferenzen haben aufgeschrien, als das berichtet wurde, und gesagt, ah super, endlich hat es geklappt. Das steht aber im Widerspruch zu der anderen Welt, wo man die Leitfähigkeit misst. Also man kann einmal die Leitfähigkeit messen, ganz normale elektrische Leitfähigkeit, und man kann Diffusionsuntersuchungen machen.

Und wir sind spezialisiert auf Diffusionsuntersuchungen, wir machen das mit einer speziellen Methode, die es jetzt auch in Marburg gibt, die Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie. Das ist also eine Massenspektrometrie, bei der man mit einem Primär-Ionen-Strahl auf eine Oberfläche schießt.

Vielleicht sehen Sie es hier so, wir schießen mit den Primär-Ionen auf die Oberfläche und erzeugen Sekundär-Ionen. Eigentlich ein ganz simples Prinzip. Und diese Sekundär-Ionen werden in einem Massenspektrometer analysiert. Diese Methode ist extrem empfindlich für Isotope.

Man muss sie kalibrieren, sie ist keine absolute Methode. Sie arbeitet mit Standards, aber bei Isotopen kann man diese Standards sozusagen vermeiden und kann extrem genaue Analysen machen. Und darum eignet sie sich sehr gut, um die Diffusion von stabilen Isotopen zu analysieren. Wenn man Sauerstoff analysieren will, dann nimmt man Sauerstoff 18,

gibt es in der natürlichen Häufigkeit 0,2%. Das heißt, man muss das nur anreichern auf 99%. Dann kann man eine Probe dem O18 aussetzen und dann findet ein Isotopenaustausch statt. O18 geht rein, O16 geht raus und dann guckt man sich hinterher das Sauerstoff-Diffusionsprofil an.

In dem man diese Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie verwendet, die einmal die Oberfläche abtastet mit einem Ionenstrahl. Der wird über die Oberfläche gerastert, wie in einem Elektronenmikroskop. Und dann gibt es einen zweiten Strahl, der spattert in die Tiefe.

Der schießt also Material weg und die beiden arbeiten intermittierend. Man schießt Material weg, dann kommt der andere Strahl, tastet die Oberfläche ab, dann kommt wieder der und so weiter. Damit kann man sehr schön und mit sehr guter Tiefenauflösung Diffusionsprofile messen. Tiefenauflösung geht in den Nanometerbereich.

Wir haben uns dann zum Ziel gesetzt, das jetzt mal vernünftig zu machen. Wir haben in diesen nanostrukturierten Materialien zusammen mit einer Arbeitsgruppe in der UC Davis in Kalifornien die Materialien hergestellt haben mit einer speziellen Sintermethode, Spark Plasma Sintering heißt das.

Das ist Hochdruck, Hochtemperatur, Hochstrom sintern, also alles hoch. Da kann man in sehr kurzer Zeit Materialien sehr dicht sintern, ohne dass die Körner wachsen. Dann haben wir eine Oxidkeramik mit Korngrößen von 10 bis 20 Nanometer Durchmesser,

also sehr kleine Körner, sehr viel Korngrenze. Da drin haben wir diesen Isotopenaustausch gemacht und konnten dann eigentlich zweifelsfrei zeigen, dass die Korngrenzen im Gegenteil die Bewegung behindern, also nicht schnelle Transportwege sind. In dieser Hinsicht ist also Nano nicht gut. Es gibt viele Bereiche, wo Nano sicherlich Vorteile bietet,

aber für die Sauerstoff-Ionenleitung gibt es im Moment kein einziges Beispiel, wo die Korngrenzen, die erhöhte Dichte von Korngrenzen gut ist. Es gab voriges Jahr ein Science Paper, was wiederum sehr viel Aufregung hervorgehoben hat, wo eine spanische Gruppe berichtet hat, dass man durch abwechselnde Schichtfolgen

von verschiedenen Materialien die Leitfähigkeiten um acht Größenordnungen steigern kann, hat sich allerdings als falsche Interpretation der Messdaten herausgestellt. Insofern denke ich mal, unser Experiment hat zwar eine negative Aussage, aber ist schon wichtig für das Gebiet.

Und das zweite wechselt jetzt das Thema, da geht es jetzt um elektronische Leitfähigkeit, das ist das, was uns über mich im Moment, in meinem ganzen Arbeitskreis, im Moment am meisten fasziniert, ist die Frage, eine alte Frage, die auch hier in Marburg von Herrn Hensel viele Jahre verfolgt wurde, was unterscheidet Metalle und Nicht-Metalle?

Also wie kann man einen Nicht-Metall in einen Metall überführen? Und das ist die Frage der Isolatormetallübergänge. Und uns ist es gelungen, durch eine spezielle Nicht-Gleichgewichtsbitole, die erkläre ich gleich ganz kurz, zu zeigen, dass man ein Oxid,

also es geht immer um Oxide, wie Sie sehen, meine Liebe liegt bei den Oxiden, dass man ein Oxid, dass man als Hauptgruppen-Element Oxid ansehen würde, also Gallium-Oxid, GA2O3, dass man das durch spezielle Herstellungsmethoden in den metallischen Zustand bringen kann.

Und Sie würden, wenn Sie aus der Chemie kommen, immer sagen, na, Gallium ist dreivertig, Protahko und das sollte eben auch nur dreivertig vorliegen, das ist nicht so, man kann durch spezielle, durch besonders brutale Herstellungsmethoden, nicht-Gleichgewichtsmethoden, kann man das dazu zwingen, dass Sie GAO herstellen können.

Und das ist eine Methode, die nennt sich Pulsed Laser Deposition, gepulste Laserabscheidung. Wiederum schießt man jetzt mit einem Laser auf eine Probe, bringt das Material in den Plasma-Zustand und scheidet das auf einer Unterlage wieder ab.

Und wenn Sie das geschickt machen, unter den richtigen Bedingungen, dann können Sie damit die Stichometrie des abgeschiedenen Materials sehr stark verändern. Und naja, das war schon relativ ungewöhnlich, ist dann auch in Nature Materials publiziert worden und ich war natürlich stolz drauf, aber das ist nur der sekundäre Effekt,

aber das macht im Moment richtig Spaß und da bohren wir natürlich weiter und versuchen das jetzt auf andere Materialien zu übertragen. Natürlich noch schöner wäre es, wenn es uns gelingen würde, Aluminiumoxidmetalle zu machen, aber das ist noch bisher gescheitert. Es klappt eben nicht alles so, wie man sich das vorstellt.

Ich denke mal, da haben Sie jetzt einen kleinen Überblick gekriegt, was wir im Moment machen, was uns im Moment reizt.

Ja, um nochmal kurz zurückzukommen auf die Leitfähigkeit der Sauerstoff-Ionenleiter und was die große Leistung von Nernst war.

Er hat eben, ich denke mal, ohne es genau zu wissen, ohne ihm zu nahe zu treten, das würde er glaube ich auch unterschreiben, hat er einfach einen genialen Beruf getan. Das ist heute immer noch der beste Sauerstoff-Ionenleiter, den wir kennen, nach 100 Jahren. Trotz 100 Jahren Research gibt es nur drei Sauerstoff-Ionenleiter,

die es technisch zum Durchbruch geschafft haben. Das ist das ütriumstabilisierte Zirkonoxid von Nernst, dann eine Zeroxid-Variante, aber das ist sehr ähnlich, und ein Peroskid auf Flanthangalat-Basis. Und all diesen ist gemein, wenn Sie so eine Zahl brauchen. Wie groß ist denn die Leitfähigkeit? Dann ist die bei 8-900 Grad, 0,1 Siemens pro Zentimeter.

Das ist ungefähr die Leitfähigkeit, die eins normale wässrige Schwefelsäure bei Zimmertemperatur hat. Das ist schon eine hohe Leitfähigkeit. Und das ganze Ziel der heutigen Untersuchungen ist, die Temperatur ein bisschen runterzubringen, auf die sogenannten Intermediate Temperatures, so 600 Grad.

Weil bei 900 Grad gibt es jede Menge Materialprobleme. Bei 900 Grad reagiert fast alles mit allem. Im Gegensatz zu dem, was die Griechen gedacht haben, nichts reagiert. Bei 900 Grad reagiert fast alles mit allem. Und darum möchte man eben die Temperatur runterbringen. Das nochmal zu den Ionenleitern.