Projektbeispiele

Defektchemie und elektromechanische Eigenschaften von piezoelektrischen Ca3TaGa3Si2O14-Einkristallen bei extremen Temperaturen

Piezoelektrische Bauelemente weisen auch bei extremen Temperaturen ein weit reichendes Anwendungspotential auf. Beispielsweise bietet die Masseempfindlichkeit resonanter Sensoren Vorteile beim Nachweis von Gasen oder Rußpartikeln und unterstützt damit die Effizienzsteigerung und Umweltverträglichkeit von Energiewandlungsprozessen.

Neben der Stabilität bei Temperaturen bis z. B. 1000 °C müssen in jedem Fall geringe elektromechanische Verluste gefordert werden. Kristalle der Langasit-Familie (La3Ga5SiO14, LGS) sind vielversprechende piezoelektrische Materialien, die auch bei Temperaturen über 1300 °C verwendet werden können. Insbesondere CTGS (Ca3TaGa3Si2O14) ist ein Langasit-Isomorph, der eine geordnete Kationenstruktur und  eine geringe Dämpfung aufweist.

Ziele des Projektes sind die detaillierte Untersuchung des atomaren Transports und der Defektchemie von CTGS, die Erklärung der Verlustmechanismen sowie die Bestimmung der thermischen und chemischen Einsatzgrenzen der Kristalle. Weiterhin ist ein verlässlicher Materialdatensatz für die piezoelektrischen, dielektrischen und elastischen Konstanten sowie die Leitfähigkeit und die thermische Ausdehnung im Temperaturbereich von 4,2 K bis mindestens 1300 K zu ermitteln. Die Stabilität des Materials bei hohen Temperaturen über einen langen Zeitraum ist ein weiterer Schwerpunkt des Projektes.

Mittelgeber:           Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektpartner:       Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden
Ansprechpartner:   Dr. Yuriy Suhak

Wachstum und Charakterisierung von Lithiumniobat-Tantalat-Mischkristallen für Sensor- und Aktoranwendungen im Hochtemperaturbereich

Piezoelektrische Hochtemperatur-Aktoren, deren Auslenkung durch eine angelegte Spannung verändert werden kann, finden beispielsweise in der Automobil-, Luft- oder Raumfahrtindustrie Verwendung. Insbesondere Automobilanwendungen wie interne Schwingungssensoren oder aktive Kraftstoffeinspritzdüsen erfordern Materialien, die auch bei erhöhten Temperaturen hohe piezoelektrische Koeffizienten aufweisen.

In der Praxis ist die Anwendungstemperatur üblicher piezoelektrischer Materialien begrenzt. Polykristalline Keramiken zeigen eine thermische Instabilität oberhalb von etwa 200°C. Kristalle der Langasit-Familie (La3Ga5SiO14) sind aufgrund ihrer niedrigen piezoelektrischen Koeffizienten nicht für Aktoren geeignet.

Lithiumniobat (LiNbO3) und Lithiumtantalat (LiTaO3) sind potenzielle Materialien für Hochtemperatursensoren und -aktoren. Beide Kristalle besitzen hohe piezoelektrische Koeffizienten. Jedoch ist ihre Verwendung durch die thermische Instabilität von LiNbO3 und die niedrige Curie-Temperatur von LiTaO3 begrenzt. Li(Nb,Ta)O3-Mischkristalle überwinden möglicherweise die genannten Einschränkungen der einzelnen Verbindungen.

Das Ziel des Projekts ist es, hochtemperaturstabile Li(Nb,Ta)O3-Mischkristalle für Sensor- und Aktoranwendungen zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden Li(Nb,Ta)O3-Einkristalle mit unterschiedlichem Nb/Ta-Verhältnis gezüchtet. Weiterhin müssen die Defektmechanismen, die den atomistischen Transport und die elektromechanischen Eigenschaften von Li(Nb,Ta)O3-Mischkristallen bestimmen, untersucht und verstanden werden.

Mittelgeber:    Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektpartner:    Institut für Mikroelektronik-Technologie und hochreine Materialien, Russische Akademie der Wissenschaften
Ansprechpartner:    Dr. Yuriy Suhak

Chemische Expansion von Praseodym-Cer-Mischoxidschichten bei hohen Temperaturen

Hochtemperatur-Prozesse bilden ein wesentliches Grundelement der Energieversorgung und industriellen Produktion. Dabei erlauben unter extremen Bedingungen einsetzbare Sensoren, Aktoren und Sensor-Aktor-Systeme eine deutliche Verbesserung der genannten Prozesse in Hinblick auf Effizienz und Umweltverträglichkeit.

Praseodym-Cer-Mischoxide (PCO) sind aussichtsreiche Materialien für Hochtemperatur-Aktuatoren, da sie deutlich größere mechanische Auslenkungen als beispielsweise hochtemperaturtaugliche Piezoelektrika erreichen. Ursächlich hierfür sind die chemische Expansion bzw. die zugrunde liegende Defektstruktur, die im Zuge des aktuellen Projektes genauer untersucht werden sollen. PCO bietet im Vergleich zu anderen Materialien entscheidende Vorteile:

1. Hochtemperaturstabilität
2. Hohe chemische Expansion
3. Maßschneiderbare Materialeigenschaften durch Einstellung des Pr/Ce-Verhältnisses

Bislang vorliegende experimentelle Daten zur chemischen Expansion wurden überwiegend anhand von Volumenmaterialien ermittelt. Dieses Projekt hat die Untersuchung von dünnen Schichten zum Ziel, da sie die Miniaturisierung von Bauelementen und kurze Reaktionszeiten erlauben. Zur Messung der Dickenänderung von Praseodym-Cer-Mischoxidschichten wird vom Projektpartner ein bestehendes Hochtemperatur-Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) derart weiterentwickelt, dass der Messbereich erweitert wird und somit Daten in einem großen Temperaturbereich zugänglich werden.

Bei 800 °C und einer Anregungsspannung von nur 0,7 V konnten bereits Auslenkungen von mehr als 100 nm für einen Verbund demonstriert werden, der aus einer 2 µm dicken PCO-Schicht auf einem Zirkonoxid-Substrat besteht.

Mittelgeber:    Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektpartner:    TU Clausthal, Institut für Elektrische Informationstechnik
Kooperationspartner:    Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering
Ansprechpartner:    Dr. Hendrik Wulfmeier

Epitaktische Abscheidung oxidischer piezoelektrischer Schichten

Piezoelektrische Einkristalle sind weit verbreitete Sensor- und Aktormaterialien für den Hochtemperaturbereich, z. B. als gravimetrische oder kalorimetrische Sensoren. Als solche sind sie wichtige Komponenten zur Prozesskontrolle sowie zur Überwachung von Energieumwandlungen und Werkstofftransport.

Materialien der Langasit-Familie (La3Ga5SiO14, LGS) erlauben hierbei Einsatztemperaturen bis weit über 1000 °C sowohl in oxidierenden als auch reduzierenden Atmosphären. Die Anwendbarkeit dieser Bauteile oberhalb von 1000 °C wird jedoch durch die Stabilität der Elektrodenmaterialien limitiert, die zur piezoelektrischen Anregung erforderlich sind. Stand der Forschung sind hier dünne Schichten aus Platin bzw. Platinlegierungen, die jedoch im erwähnten Temperaturbereich Degradationseffekte wie Oxidation, Abdampfung und Agglomeration aufweisen.

Monolithische Elektroden aus Oxiden mit angepasster thermischer Ausdehnung sind vielversprechende Alternativen zur Verbesserung der Langzeitstabilität. Um als Elektroden zu fungieren, muss deren Leitfähigkeit deutlich höher als die des Resonatorkristalls sein. Im Projekt wird dies durch die Abscheidung von dotierten Langasit-Schichten erreicht. Dabei wird La teilweise durch Sr ersetzt. Die so erhöhte Sauerstoffleerstellenkonzentration führt zu einer Erhöhung der Schichtleitfähigkeit.
 
Hauptaugenmerk dieses Projektes liegt auf der Entwicklung eines epitaktischen Wachstumsprozesses für diese Schichten. Die zentrale Herausforderung hierbei ist es, Phase und Stöchiometrie parallel einzustellen.

Eine weitere Motivation für die epitaktische Abscheidung dünner Oxidschichten ist die Miniaturisierung von Sensor- und Aktorbauteilen für Hochtemperatur-Anwendungen unter oxidierenden Atmosphären. Hierbei sind nicht nur homoepitaktische (LGS auf LGS) sondern auch heteroepitaktische Schichten (LGS auf Si, SiO2,…) von Interesse.

Mittelgeber:    Deutsche Forschungsgemeinschaft
Ansprechpartner:    Dr. Hendrik Wulfmeier

EML OCS – Oxygen Control System

Der elektromagnetische Levitator (EML) ist ein auf der Internationalen Raumstation (ISS) installiertes System, das die kontaktlose Untersuchung von hochreinen Materialien unter Mikrogravitation in der Nähe und deutlich oberhalb der Schmelztemperatur erlaubt. Leitfähige Proben wie z. B. Legierungen werden mittels hochfrequenter magnetischer Felder positioniert und geschmolzen. Mit dem Verfahren werden Informationen über Oberflächenspannung, Viskosität und/oder Leitfähigkeit gewonnen. Obwohl die elektromagnetische Levitation ein berührungsloses Verfahren ist, können dünne Oxidschichten auf der Probenoberfläche oder in der Probe gelöster Sauerstoff die Messergebnisse stark beeinflussen. Somit ist die genaue Kenntnis des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre sowie die Möglichkeit, diesen zu beeinflussen, die Grundvoraussetzung für reproduzierbare und zuverlässige Messungen.

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und der Test eines Systems auf der Basis des Festelektrolyten YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid) zur Messung und Regelung des Sauerstoffpartialdruckes. Das System ermöglicht die Messung des Sauerstoffpartialdruckes im Bereich von 10-3 bis 10-26 bar mit einer Genauigkeit von log(pO2/bar) < 0,02 am Ort des Sensors. Die Regelung erlaubt bidirektionales Pumpen von bis zu ca. 800 mm3 O2 pro Stunde mit einer Auflösung von 0,001 mm3/min und eine Einstellung des Sauerstoffpartialdruckes im Bereich von 10-20 bis 10-3 bar. Das System arbeitet autonom. Parameter wie Gasflussrate, Sauerstoffpartialdruck und Einstellung der Ventile (Gaszirkulation mit/ohne Sauerstoffpumpe) werden vor den entsprechenden Experimenten durch die Bodenstation der ISS vorgegeben.

Mittelgeber:    European Space Agency ESA (Vertrag 21788/08/NL/BJ, CCN38:EML Oxygen sensing and Control System Phase B Development, abgeschlossen im Februar 2019)
Projektpartner:    Airbus DS (Friedrichshafen, Deutschland)
DTM Technologies (Modena, Italien)
Kayser Italia (Livorno, Italien)
Ansprechpartner:    Dr. Michal Schulz
 

Bestimmung der Verdampfungsgeschwindigkeit von Ag und Ag-Cu in der Schwerelosigkeit

Die Untersuchung von hochreinen Metallen und Legierungen setzt möglichst störungsfreie Messbedingungen voraus. Kontaktloses Schmelzen und nahezu kräftefreie Umgebungen sind dabei wesentliche Aspekte. Diese Bedingungen erfüllt der elektromagnetische Levitator (EML), der sich auf der Internationalen Raumstation (ISS) befindet. Dort lässt sich gegenwärtig zum Beispiel die Oberflächenspannung sowie die elektrische Leitfähigkeit verschiedener Schmelzen bestimmen.

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines miniaturisierten Systems für die hochgenaue Bestimmung des Dampfdruckes und damit der freien Gibbs-Enthalpie von technologisch relevanten Metallen und Legierungen durch die Messung der Verdampfungsgeschwindigkeiten. Das Messprinzip beruht auf einer resonanten Nanowaage aus einem hochtemperaturstabilen Quarz-Isotop, welche bis zur Schmelztemperatur von 1473°C piezoelektrisch angeregt werden kann. Der Molekularstrahl aus den Knudsen-Zellen wird an der Oberfläche des Resonators abgeschieden, wobei diese Masseablagerung zu einer messbaren Verschiebung der Resonanzfrequenz führt.

Das System soll während der DLR-Parabelflugkampagnen in 2019 und 2020 getestet werden. Dazu wird es in die TEMPUS-Anlage (tiegelfreies elektromagnetisches Prozessieren unter Schwerelosigkeit) des DLR integriert. Ag- und Ag60Cu40-Proben sollen berührungsfrei aufgeschmolzen und mit dem System untersucht werden. Die Ergebnisse werden mit Literaturwerten sowie mit den durch den Projektpartner entwickelten numerischen Modellen verglichen.

Mittelgeber:    Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektpartner:    Hochschule Mannheim
Ansprechpartner:    Dr. Michal Schulz

Elektromechanische Eigenschaften und atomarer Transport in AlN-Volumenkristallen bei hohen Temperaturen

Die hervorragenden elektromechanischen Eigenschaften sowie die chemische und thermische Stabilität von Aluminiumnitrid (AlN) bieten ein großes Potential zur Anwendung als piezoelektrische Resonatoren bei hohen Temperaturen.

Aufgrund der einschränkten Verfügbarkeit von AlN-Volumenkristallen ausreichender Größe und Qualität sind bisher keine zuverlässigen Materialdaten für AlN verfügbar. In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin sollen AlN-Volumenkristalle gezüchtet und die elektromechanischen Eigenschaften, die Defektchemie sowie die atomaren Transportprozesse bis zu Temperaturen von 1300 °C untersucht werden. Dabei werden ebenfalls Degradationseffekte in oxidierenden Atmosphären und Abhängigkeiten von der Kristallqualität, der Kristallorientierung, den Züchtungsbedingungen und den Defekten berücksichtigt. Mit dem Ziel, AlN-Volumenkristalle in Hochtemperaturanwendungen zu implementieren, werden technologische Grenzen für den Einsatz als Sensor- und/oder Aktuatormaterial ermittelt. In diesem Zusammenhang werden die elektromechanischen Eigenschaften insbesondere in Bezug auf die Verlustmechanismen untersucht und modelliert, um diese zu minimieren und Einsatzgrenzen zu erweitern.

Mittelgeber:    Deutsche Forschungsgesellschaft    
Projektpartner:    Leibniz-Institut für Kristallzüchtung    
Projektpartner:    Dr. Iurii Kogut

In situ Verfahren zur Bestimmung hoher Sauerstoffdefizite in Cer-Zirkon-Mischoxiden für die Abgasnachbehandlung

Cer-Zirkon Mischoxiden (Ce1-yZryO2-x) sind Bestandteil des Katalysatorträgers (Washcoat) in Autoabgaskatalysatoren und dienen der Minimierung von schädlichen Verbrennungsprodukten, wie z.B. Stickoxiden. Das Ziel des Projektes ist die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der Defektchemie von Cer-Zirkon Mischoxiden (Ce1-yZryO2-x) und deren Einfluss auf die Anwendung zur Abgasnachbehandlung in sogenannten Dreiwegekatalysatoren (TWC's). Auf Grund der reversiblen Abgabe und Aufnahme von Sauerstoff  bei reinem Cer-Zirkon Mischoxiden (Ce1-yZryO2-x) kann eine gezielte Abgasnachbehandlung von benzinbetriebenen Automobilen in Abhängigkeit von der Temperatur und des Sauerstoffpartialdruckes erfolgen. Bei sehr hohen Sauerstoffdefiziten besitzt reines Ceroxid (CeO2) eine hohe chemische Ausdehnung, welche durch eine gezielte Dotierung mit ZrO2 vermindert und zusätzlich die Katalysatorstabilität im Prozess verbessert wird. Zur Entwicklung grundlegender Modelle zur Beschreibung der Nichtstöchiometrie von Cer-Zirkon Mischoxiden (Ce1-yZryO2-x) werden zwei komplementäre in-situ-Messmethoden verwendet: 1) Nanowaage mittels hochtemperaturstabilen piezoelektrischen Resonatoren 2) Mikrowellencharakerisierung in einem Hohlraumresonator

Mittelgeber:    Deutsche Forschungsgesellschaft
Projektpartner:    Lehrstuhl für Funktionsmaterialien, Universität Bayreuth
Ansprechpartner:    Alexander Wollbrink

Konzentrationsabhängige Industrieofen-Regelung

Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung einer Sensortechnologie, die eine punktgenaue und damit energieeffiziente Regelung von elektrisch beheizten Wärmebehandlungsprozessen zulässt. Die Regelung basiert auf der Messung von Konzentrationsänderungen einer oder mehrerer Schlüsselgasspezies, die einen direkten Rückschluss auf den Bauteilzustand in der Anlage zulassen.

Zur Gasdetektion werden mit Hilfe einer hochtemperaturstabilen resonanten Mikrowaage  gravimetrische und elektrische Eigenschaftsänderungen von Metalloxidsensorschichten gemessen. Als Resonatormaterial werden piezoelektrische Ca3TaGa3Si2O14 (CTGS) Einkristalle verwendet, die mit Elektroden beschichtet und zu Volumenschwingungen angeregt werden. Auf die Elektroden werden (Pr,Ce)O2-, SnO2- und TiO2-Sensorschichten aufgebracht. Die zusätzliche Messung gravimetrischer Effekte der Sensorschichten führt zu  einem Informationsgewinn, durch den die Selektivität gegenüber konventionellen Metalloxidgassensoren gesteigert werden kann. Die verwendeten Materialien erlauben die Gasdetektion auch in stark reduzierenden Atmosphären bei Temperaturen bis mindestens 1000 °C.

Die simultane Charakterisierung gravimetrischer Eigenschaften einer Pr0,1Ce0,9O2-Sensorschicht und elektrischer Eigenschaften von SnO2- und TiO2-Sensorschichten ermöglichen beispielsweise die Unterscheidung von Methan (CH4) und Ethen (C2H4) bei Temperaturen von 350 °C bis 450 °C

Mittelgeber:            Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektpartner:            Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, SGL Group, Element 22, MUT Advanced Heating
Ansprechpartner:            Sebastian Schröder

Korrelation von Modell- und kommerziellen Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien mittels In-situ-Bestimmung von thermodynamischen und kinetischen Daten

(Teilprojekt im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Werkstoffe mit neuem Design für Lithium-Ionen-Batterien“ (WeNDeLIB))

Wesentliche Zielstellungen des Projektes umfassen die Ermittlung thermodynamischer Daten sowie die Aufklärung der Transportkinetik und der Transportwege in ausgewählten Elektrodenmaterialien für Lithiumionen-Batterien. Kalorimetrie an dünnen Schichten ist bereits seit mehreren Jahrzehnten Gegenstand der Forschung, da sich thermodynamische Eigenschaften dünner Schichten oft erheblich von Volumenkristallen unterscheiden können.  Limitierender Faktor bei den bisherigen Ansätzen war die maximale Einsatztemperatur von etwas über 500 °C.

Das an der TUC neu entwickelte Hochtemperatur-Dünnschichtkalorimeter (Thin-Film Calorimeter, TFC) vereint erstmals die Aspekte „Kalorimetrie an dünnen Schichten“ und „Hochtemperatur-Physik“. Messungen bei Temperaturen bis zu 1100 °C werden an Einzelschichten und Schichtsystemen (100 nm bis mehrere µm) realisiert. Kernkomponenten der TFC sind hochtemperaturstabile piezoelektrische Langasit-Resonatoren (La3Ga5SiO14, LGS), deren Resonanzfrequenz eine hohe Temperaturabhängigkeit zeigt. Sie werden als hochpräzise planare Temperatursensoren verwendet. Abweichungen von der ungestörten Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz kennzeichnen kalorimetrische Effekte in den zu untersuchenden Schichten und werden in die zugehörigen Enthalpien umgerechnet. Das Auflösungsvermögen beträgt 1,9 mJ. Zur weiteren Verbesserung der Empfindlichkeit werden strukturierte und miniaturisierte Resonatoren eingesetzt.

Eine Vielzahl an Batteriematerialien wurde untersucht:
(1) Elektroden: Li(Ni,MnCo,Al)xOy, LixCy, Sn, LiFe1-x(Al/Ni)xPO4, MoS2
(2) Festelektrolyte: SPEEK, LVSO, LiPON

In dünnen LiMn2O4-Schichten wurden z. B. starke Abhängigkeiten der (Re-)Kristallisation von der Atmosphäre gefunden. Weiterhin gelang es mittels TFC erstmals die Wärmeentwicklung einer Festkörper-Dünnschichtbatterie in-situ während mehrerer Ladezyklen zu dokumentieren.

Mittelgeber:    Deutsche Forschungsgemeinschaft, SPP 1473
Projektpartner:    TU Ilmenau, Fakultätsübergreifendes Institut für Werkstofftechnik
Ansprechpartner:    Dr. Hendrik Wulfmeier

Oxygen Sensing and Control

Die Studie hat zum Ziel, mehrere Ansätze zur Messung und Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks bei Materialuntersuchungen im Weltraum zu evaluieren. Kurzfristig sollen bei Schwebeschmelzversuchen verhältnismäßig hohe (pO2 > 10-7 bar) und langfristig sehr niedrige (pO2 > 10 22 bar) Sauerstoffpartialdrücke vorgegeben werden. Potentiometrische Sensoren und geregelte Sauerstoffpumpen der Arbeitsgruppe des Antragstellers wurden für den weiteren Projektverlauf ausgewählt, so dass entsprechende Technologiedemonstratoren aufgebaut und getestet werden.

Mittelgeber:    EADS/Astrium    
Projektpartner:    Prof. S. Fasoulas (Universität Stuttgart)    
Prof. J. Wöllenstein (Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik, Freiburg)