EPR Untersuchung von Defekten in ferroelektrischen keramischen Werkstoffen

Dr. R.-A. Eichel (Universität Freiburg, Institut für Physikalische Chemie)
Prof. Dr. K-P. Dinse (Institut für. Physikalische Chemie)
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Ferroelektrika
Schwerpunkt der Untersuchungen in der 2. Förderperiode wird der Einsatz von Multifrequenz- EPR an Akzeptor- und Donor-dotierten (Fe3+, Cu2+, Gd3+) PZT-Materialien im morphotropen Phasengebiet (MPB) sein. Bisher konnte bereits an den Modellsubstanzen PbTiO3 und PbZrO3 durch Modellierung der experimentell bestimmten Feinstrukturparameter der Fe3+ Zentren die Lokalisierung von Sauerstoff-Fehlstellen bestimmt werden.

Nach ersten erfolgversprechenden Experimenten ist weiterhin die Untersuchung kurzlebiger Licht-induzierter paramagnetischer Zentren in PZT geplant, um gezielt die Umladung diamagne tischer Ionen zu untersuchen. Der Mechanismus der Ladungstrennung insbesondere bei unipolar ermüdeten Proben ist bisher nicht bekannt. Erste strukturelle Hinweise von Probendegradation in unmittelbarem Kontakt zu den Elektroden sollen durch oberflächenselektive EPR-Untersuchungen bestätigt werden.

Hierzu müssen Hochfrequenz-EPR-Experimente mit einem resonatorfreien Aufbau am Hochfeldlabor in Tallahassee durchgeführt werden. Durch die Beschränkung der Eindringtiefe auf wenige 100 nm liefert ein derartiger Aufbau selektiv Signale der Oberflächenschicht. Der resonatorfreie Aufbau eignet sich auch für in situ EPR-Experimente unter gleichzeitigem Anlegen von elektrischen Feldern. Schließlich soll die Degradation von Aktuatoren unter erhöhter Feuchtigkeit untersucht werden. Hierzu kann der Nachweis von OH-Gruppen oder von Wasserstoff auf Zwischengitterplätzen dienen.

Ionenleiter
Zur Untersuchung ionenleitender Kathoden- und Anodenmaterialien kann ebenfalls die EPR eingesetzt werden.

Auf der Kathodenseite kann der Ladungsausgleichprozess als Funktion des Lithium Ein- und Ausbaus unter elektrischer Zyklierung untersucht werden. Da Co3+ im starken Kristallfeld nicht EPR-aktiv ist (Seff = 0), nach Oxydation als Co4+ (Seff = 5/2) jedoch ein bei g = 2 detektierbares Signal liefert, ist dieser Prozess im Prinzip quantitativ nachweisbar. Die Abgrenzung zum möglicherweise alternativ gebildeten O2--Zentrum kann durch Isotopenmarkierung dieses Radikals erfolgen.

Auf der Anodenseite sollen die bei der Pyrolyse der Materialien entstehenden Kohlenstoffradikalzentren genauer untersucht werden. Insbesondere durch Analyse der Linienformen kann Aufschluss über deren lokale Struktur gewonnen werden.