Charakterisierung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen elektrischer Funktionsmaterialien mit Festkörper-NMR-Verfahren

Prof. Dr. Gerd Buntkowsky (Eduard-Zintl-Institut für Anorganische u. Physikalische Chemie)
Dr. Hergen Breitzke (Eduard-Zintl-Institut für Anorganische u. Physikalische Chemie)
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Zielstellung

Für die effiziente Entwicklung neuartiger, elektrischer Funktionsmaterialien und das Studium ihrer Ermüdungsprozesse ist eine Materialcharakterisierung auf molekularer Ebene erforderlich. Die im Arbeitskreis vorhandene spektroskopische Expertise soll deshalb zur Untersuchung dieser Materialien und ihrer Ermüdungsprozesse durch die Festkörper-NMR- und -NQR-Spektroskopie erfolgen. Schwerpunktmäßig werden elektrische Funktionsmaterialien des LiSiCN und LixMO2 Typs untersucht. Parallel dazu werden Piezokeramiken des Typs (1−x)Bi0.5Na0.5TiO3–xK0.5Na0.5NbO3 betrachtet.
Als NMR-Spinsonden werden, abhängig vom untersuchten Material, 7Li, 59Co, 93Nb, 207Pb u.a. eingesetzt. Parallel dazu werden, sofern erforderlich und technisch möglich, die Proben auch mit 135/137Ba- oder 209Bi-NQR als Funktion ihrer chemischen Zusammensetzung charakterisiert. Aus dem Vergleich der Festkörper-NMR-Spektren von frischen und künstlich ermüdeten Materialien lassen sich die charakteristischen Fingerabdrücke der Ermüdungseffekte herausarbeiten. Diese werden dann übersetzt in chemische Verschiebungs- und Quadrupolwechselwirkungsparameter, die dann auf der molekularen Ebene interpretiert oder als Basis für quantenchemische Rechnungen verwendet werden.

Struktur

Bei den LiSiCN-Keramiken möchten wir durch 13C-MAS und eventuell X/Li-REDOR bzw. X/Li-REAPDOR Messungen an den Keramiken und ihren Vorläufern klären, wie das Lithium in ihnen gebunden vorliegt. Im Falle der LixMO2 Materialien sollen die im TP B4 mit Synchrotronstrahlung bzw. Neutronendiffraktion in-situ untersuchten Ermüdungsprozesse parallel mit Festkörper-NMR als Funktion ihres Co/Ni-Verhältnisses und ihrer elektrischen Vorbehandlung untersucht werden. Diese Untersuchungen werden ergänzt durch 59Co-NMR-Messungen. Aus der Kombination der NMR-Daten mit den Ergebnissen aus TP B4 ist ein detailliertes Bild der Ermüdungsprozesse innerhalb dieser Materialien zu erwarten.

Beweglichkeit

Die Beweglichkeit der Lithiumionen ist ebenfalls sehr wichtig. Falls es bei der Bewegung zu einem Austausch zwischen chemisch oder magnetisch inäquivalenten Positionen innerhalb der Probe kommt, so ist diese Dynamik, abhängig von ihrer Zeitskala, durch MAS-NMR-Spektroskopie oder Spin-Echo-Verfahren oder Relaxationsmessungen bestimmbar.