In-Situ Charakterisierung oxidischer Dünnfilme beim Wachstum

Dünnfilm-Technologie ist die Voraussetzung für viele Alltagsgegenstände und Geräte wie Mobiltelefone, Computer, LED Lampen und vieles mehr. In diesem Projekt werden Dünnfilme aus der Materialklasse der gemischtleitenden Oxide untersucht. Diese Feststoffe, die aus verschiedenen Metall-Ionen und Sauerstoff-Ionen bestehen, leiten elektrischen Strom auf zwei verschiedene Arten: Mittels Elektronen und mittels Sauerstoff-Ionen. Diese Eigenschaft machen gemischtleitende Oxide sehr interessant für die Grundlagenforschung, aber auch für mehrere kommerzielle Anwendungen wie Sensoren, Brennstoffzellen oder Sauerstoffmembranen. Die Dünnfilme, welche im Projekt untersucht werden, benötigen für ihre Funktionalität Defekte, also Abweichungen von einer perfekten Anordnung der Atome in deren Kristallgitter. Drei Typen von Defekten werden untersucht, Körner und Korngrenzen, Spannungen des Kristallgitters und Versetzungen, also Anordnungsfehler auf atomarem Niveau. Das Herzstück der geplanten Untersuchungen bildet eine neue wissenschaftliche Messmethode, die kürzlich in unserer Arbeitsgruppe an der TU Wien entwickelt wurde. Es handelt sich um eine Kombination aus Dünnschicht-Herstellung (mit Kontrolle über die drei angesprochenen Defekttypen) und Charakterisierung der Dünnschichten während der Abscheidung mittels elektrochemischer Impedanz- Spektroskopie, einer Messmethode, die mit elektrischen Wechselspannungen uns Wechselströmen arbeitet. Nach Herstellung und elektrochemischer Analyse der Dünnfilme werden diese zusätzlich mit atomarer Auflösung untersucht. Dies ist mit einer speziellen Elektronen-Mikroskopie-Technik möglich, mit aberrationskorrigierter Transmissions-Elektronen-Mikroskopie, eine Methode, die auch mehrere weiterführende physikalisch/chemische Analysen erlaubt. Weil für diese beiden Projektteile sowohl sehr spezialisierte Geräte als auch speziell geschulte Wissenschaftler nötig sind, wird dieses Projekt an zwei Standorten in Österreich durchgeführt, an der TU Wien und am ESI in Leoben. Dieses Projekt geht weit über wissenschaftliche Standardmessungen hinaus und ist einzigartig durch (i) die Verwendung der neuen in-situ Abscheidungs- und Messmethode, die direkten Einblick in den Dünnschichtwachstumsprozess liefert, und (ii) durch Verwendung von Elektronenmikroskopie- Technologie, welche die höchste zu Verfügung stehende Auflösung garantiert. So können Unterschiede zwischen veränderten katalytischen oder defektbezogenen Eigenschaften von Dünnschichten mit deren Struktur und Chemie auf atomaren Niveau korreliert werden.

Das Projekt "In-Situ Oxide" beschäftigte sich mit der Untersuchung von sogenannten gemischtleitenden Oxiden (engl. MIEC). Diese Materialklasse bildet zum Beispiel die aktive Komponente in Batterien oder Brennstoffzellen und deren weitere Erforschung ist der Schlüssel zu neuartigen Energie(speicher)technologien. Wir nutzten eine neue Untersuchungsmethode namens "i-PLD" an der TU Wien gemeinsam mit atomar auflösender Elektronenmikroskopie (HR-TEM) am ESI in Leoben sowie auch weiterer Techniken um eine Vielzahl an neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen zu gewinnen. Zum Beispiel konnten wir zeigen, dass eine Vielzahl von MIEC-Oxiden auch mit verschiedenden Kristallstrukuren den gleichen Reaktionsmechanismus für Sauerstoffaustausch besitzen, solange die Oberflächen sauber sind. Unsere Technik erlaubte es auch, die Oberflächen auf atomarem Niveau zu manipulieren. So konnten wir zeigen, dass winzige Mengen (also noch weit weniger als eine einzige Lage aus Atomen, oder nur etwa 0.0000000001 Gramm pro Quadratzentimeter) von "passenden" Oberflächenatomen die Aktivität von Materialien massiv verbessern oder aber auch verschlechtern kann. Des Weiteren fanden wir in unserem Projekt heraus, dass kleinste Spuren saurer Gase für die Oberfläche von MIEC Materialien oft schon ein großes Problem bedeuten. Ganz ähnlich wie oben beschrieben können kleinste Mengen bereits einen großen Unterschied bedeuten. In unserer wissenschaftlichen Arbeit konnten wir einerseits beschreiben wie stark die Aktivität von Oberflächen beeinflusst wird, andererseits konnten wir auch Details zur Wirkungsweise aufklären. Wir fanden heraus, dass dem Verschieben von elektrischer Ladung eine Schlüsselrolle zukommt und dass sogenannte Doppel-Dipole an der Oberfläche auf einer Länge von weniger als einem Nanometer (0.000000001 Meter) bestimmen, ob eine Oberfläche entweder sehr aktiv ist, oder für die Anwendung in einer Brennstoffzelle komplett ungeeignet ist. Das Wechselspiel von drei Komponenten ist dazu relevant: anhaftende Gasmoleküle, Oberflächenatome und das Material direkt darunter. Dazu kam noch eine Reihe von weiteren neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen die wir in bislang 20 zum Teil sehr hochrangig platzierten Publikationen der Fachwelt aber auch der breiten Öffentlichkeit (open access) präsentieren konnten. Wir konnten auch die internationale Fachwelt wir für unsere Arbeit begeistern, unsere drei über dieses Projekt angestellten Doktorats-Studenten haben drei Preise für die besten Präsentationen auf Konferenzen gewonnen. Die bereits fertiggestellte Doktorarbeit hat sogar zwei sehr große Preise erhalten, einerseits von der Gemeinschaft Deutscher Chemiker als beste Arbeit im Feld Elektrochemie 2022, sowie von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften als beste Doktorarbeit in Österreich 2022 über alle Naturwissenschaften.