Ladungstransport bei Übergangsmetalloxiden
Viele funktionale Oxidmaterialien, die in der IC-Industrie wichtig sind, sind auch für die Energiespeichersysteme, die erforderlich sind, wenn Energiequellen wie Wind und Sonne effektiv sein sollen, entscheidend. Trotz dieser Überschneidung ist die Forschung zu den Eigenschaften von Materialien im Zusammenhang mit diesen beiden Feldern im Allgemeinen jeweils eigenständig. Das EU-finanzierte Projekt ELIOT (Electronic and ionic transport in functional oxides) schuf eine Brücke und untersuchte, wie die Materialproduktion und die physikalische Eigenschaften den Ladungstransport in diesen Oxiden beeinflussen. Die Wissenschaftler entschieden sich, Übergangsmetalloxide, deren elektrochemische und physikalisch-chemische Eigenschaften sowie die Auswirkungen von Techniken und Bedingungen der Materialablagerung beim Ladungstransport zu untersuchen. Sie konzentrierten sich auf nicht flüchtige Energiespeicher mit einem Schwerpunkt auf elektronische bzw. ionische Mobilität. Die Einführung von Mechanismen könnte zur Konstruktion besserer Materialien in beiden Bereichen führen. Eine vielversprechende Alternative zu Flash-Speichergeräten zur Überwindung drohender Barrieren in Kapazität und Geschwindigkeit nutzt Metalloxide, die resistive Schalter aufweisen. Das erste Ziel des Projekts war die Identifikation von Materialien für die die große skalierbare Änderung des Widerstands auf angewandte Spannungsimpulse auf korrelierten Elektroneneffekten beruht. Übergangsmetalloxide mit hoher ionischer Mobilität aber niedriger elektrischer Leitfähigkeit sind als feste Elektrolyte für Brennstoffzellenanwendungen interessant. Materialien mit hoher Lithiumspeicherkapazität (niedrige Mobilität) und guter elektrischer Leitfähigkeit sind mögliche Kandidaten für Elektrodenanwendungen. Untersuchungen befassten sich mit einfachen binären Oxiden wie Vanadium- oder Titandioxid (VO2 bzw. TiO2). Zudem bewerteten sie komplexere Oxide wie Samarium-Nickelat (SmNiO3) und Lithiummanganoxid (LiMn2O4). VO2 und SmNiO3 zeigten einen Übergang von Metall zu Isolator, von guter Ladungsleitfähigkeit zu niedriger Leitfähigkeit, mit Temperatur. TiO2 und LiMn2O4 wurden als viel versprechende Elektrodenmaterialien für Batterien bestimmt, während ein Lithiummanganoxid Potenzial zur Verwendung als fester Elektrolyt aufwies. Ein besseres Wissen über die Faktoren, die die elektronische und ionische Mobilität von Übergangsmetalloxiden beeinflussen, könnte zu entscheidenden Durchbrüchen in sozioökonomische wichtigen Bereichen wie flüchtige Energiespeicher und Energiespeicherung führen. ELIOT weist den Weg in Richtung einer rationalen Konstruktion von modernen Materialien für diese und andere Anwendungen.
Schlüsselbegriffe
Ladungstransport, Übergangsmetalloxide, integrierter Chip, funktionale Oxide, Ionentransport
