Current-driven implantation and diffusion of tracer-ions in yttria-stabilized-zirconia

Abstract

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in engl. SpracheIn der Untersuchung von ionisch leitenden Stoffen ist die Impedanzspektroskopie zu Recht die Standardmethode der Charakterisierung und Quantifizierung der darin ablaufenden ionischen Transportprozesse.Bei manchen Fragestellungen stößt diese Methode jedoch an ihre Grenzen, wie z.B. bei der Bestimmung von Diffusionspfaden. Für ebensolche Zwecke werden Diffusionsexperimente mit Tracerionen durchgeführt. Bei vielen Materialien ist aber oft der Einbau der Markierstoffe in signifikanter Konzentration nicht einfach zu bewerkstelligen.In dieser Arbeit wird an zwei Modellsystemen gezeigt, wie mit stromgetriebener Tracerimplantation gefolgt von TOF-SIMS Untersuchungen Diffusionseffekte beobachtet werden können. Außerdem wird ein mathematisches Modell abgeleitet mit dem Vorhersagen über das Ergebnis solcher Versuche möglich werden. Das erste untersuchte System war ein Bikristall aus Bariumfluorid und Yttrium stabilisiertem Zirconiumdioxid (YSZ), in dem mit Hilfe eines elektrischen Feldes aus dem Bariumfluorid Fluor in YSZ implantiert wurde. Das zweite System war eine dünne YSZ Schicht auf Magnesiumoxid, in durch eine Lanthan-Strontium-Cobaltoxid Elektrode 18O elektrisch eingebaut wurde. Die Messungen der erhaltenen Diffusionsprofile mittels TOF-SIMS zeigten, dass tatsächlich Einbau und Diffusion stattgefunden hat. Zusätzlich wurden die angesprochenen Systeme impedanzspektroskopisch untersucht und ihre elektrischen Eigenschaften quantifiziert.In the research of ion-conducting materials impedance-spectroscopy has become the favoured method of characterisation and quantification of transport processes of ions in the materials under focus. When investigating, for example, diffusion pathways, impedance spectroscopy alone can not answer the questions raised. Therefore, additional experiments with tracer-ions are conducted. However it is not always an easy task to achieve a significant concentration level of these tracers in numerous materials of interest.In this work investigations on two model systems are presented in order to demonstrate the possibilities of current-driven tracer-implantation in combination with TOF-SIMS analyses to study diffusion processes. In the course of these studies a mathematic model has been derived which enables prediction of the results of such experiments. The first model system was a bicrystal consisting of a barium-fluoride single crystal and a single crystal of yttria-stabilised-zirconia (YSZ). Using an electric field fluoride-ions where forced out of the barium-fluoride and implanted into the YSZ. In a second experimental set-up 18O was electrically driven into a thin layer of YSZ on a magnesia single crystal by means of an electrode of lanthanum-strontium-cobalt-oxide.Subsequent measurements of the resulting concentration profiles via TOF-SIMS proved that the implementation was successful and diffusion was observed. Additional analyses of the electrical properties of these systems where conducted using impedance spectroscopy.10