Gemischtleitende Oxide spielen im Bereich der Energiespeicherung und –umwandlung eine entscheidende Rolle. So ist z.B. eine effektive Speicherung von Lithium in Batterieelektroden nur möglich, wenn neben einer ionischen Teilleitfähigkeit auch eine elektronische Teilleitfähigkeit vorliegt. Leider leiden die meisten Materialien mit einer ausreichend hohen Ionenleitfähigkeit unter einer niedrigen elektronischen Teilleitfähigkeit und umgekehrt, was es schwierig macht, geeignete Materialien mit einer hohen gemischten ionischen und elektronischen Leitfähigkeiten für elektrochemische Anwendungen zu finden. In der AG Elm werden daher neue Methoden zur Herstellung von künstlichen, gemischtleitenden Elektronenleiter-Ionenleiter-Kompositen mit wohldefinierten Elektron-Leiter/Ionen-Leiter-Heterogrenzflächen entwickelt. Hierbei sollen Grenzflächeneffekte genutzt werden, um den Ladungstransport und die Ladungsspeicherung in den Kompositen gezielt einzustellen. Die Möglichkeit, die Eigenschaften von Materialien durch „Grenzflächen-Engineering“ zu manipulieren, ist das Grundprinzip in Halbleiterbauelementen, bei denen die Funktionalität aus den Eigenschaften der Heterogrenzfläche entsteht, z.B. durch die Bildung einer Raumladungszone wie beim pn-Übergang. Dieses Konzept wird in der AG Elm nun auf Komposite auf Basis sauerstoffionen- und lithiumionenleitender Oxiden übertragen. Die Gemischtleiter werden durch die Abscheidung einer elektronisch leitenden Beschichtung auf der Oberfläche von nanostrukturierten ionenleitenden Oxiden hergestellt („Surface-Engineering“). Parallel dazu werden vergleichbare Elektronenleiter-Ionenleiter-Multischichten mit einer wohldefinierten Anzahl von Grenzflächen als Modellsysteme charakterisiert. Die Trennung der elektronischen und ionischen Ladungsträgern an der Grenzfläche ermöglicht einen schnelleren Ladungstransport, sowie eine verbesserte Ladungsspeicherung in den entsprechenden Phasen an der Grenzfläche. Die Arbeiten zielen auf ein grundlegendes Verständnis des Einflusses der Grenzflächen auf die elektrochemischen Eigenschaften, um die auftretenden Effekte optimal zu nutzen und den Ladungstransport sowie die Ladungsspeicherung auf makroskopischer Ebene einstellen zu können.

Publikationen:

- Celik*, P. Cop, R.S. Negi, A. Maziklin, Y. Ma, P. Klement, J. Schörmann, S. Chatterjee, T. Brezesinski, M.T. Elm*, “Design of Ordered Mesoporous CeO₂-YSZ Nanocomposite Thin Films with Mixed Ionic/Electronic Conductivity via Surface Engineering” ACS Nano 16, 3182 (2022)

- J. Zahnow, M. Bastianello, J. Janek, M.T. Elm*, “Defect Chemistry of Individual Grains with and without Grain Boundaries of Al-doped Ceria Determined Using Well-defined Microelectrodes”, J. Phys. Chem. C 126, 2737 (2022)

- R.S. Negi, Y. Yusim, R. Pan*, S. Ahmad, K. Volz, R. Takata, F. Schmidt, A. Henss, M.T. Elm*, “A Dry‐Processed Al₂O₃/LiAlO₂ Coating for Stabilizing the Cathode/Electrolyte Interface in High‐Ni NCM‐Based All‐Solid‐State Batteries” Adv. Mater. Interfaces 9, 2101428 (2022)

- R.S. Negi, E. Celik, R. Pan, R. Stäglich, J. Senker, M.T. Elm*, “Insights into the positive Effect of Post-Annealing on the Electrochemical Performance of Al₂O₃-Coated Ni-Rich NCM Cathodes for Lithium-Ion Batteries” ACS Appl. Energy Mater. 4, 3369 (2021)

- P. Cop, E. Celik, K. Hess, Y. Moryson, P. Klement, M.T. Elm*, B.M. Smarsly*, “Atomic Layer Deposition of Defined Thin CeO₂ Layers in Ordered ZrO₂ Films and Their Impact on the Ionic/Electronic Conductivity”, ACS Appl. Nano Mater. 3, 10757 (2020)

Gemischtleitende und Sauerstoffionen-leitende Oxide, wie z.B. Cerdioxid (CeO₂) und Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), sind im Bereich der Katalyse, der Sauerstoffspeicherung, als Elektrodenmaterialien in Batterieanwendungen oder als Festelektrolyt in Sauerstoffbrennstoffzellen von großem Interesse. Die elektrochemischen Eigenschaften der Oxide können hierbei nicht nur durch Dotierung, sondern auch durch Nanostrukturierung stark variiert werden. In der Arbeitsgruppe wird daher der Einfluss von Grenz- und Oberflächen auf die elektrochemischen Eigenschaften an porösen Dünnschichten und mesoporösen Filmen untersucht. So beeinflusst die poröse Architektur und Oberflächenbeschaffenheit der Filme nicht nur die Leitfähigkeit der Elektronen und Sauerstoffionen im Material, sondern auch die Protonenleitfähigkeit sowie die Lithiumspeicherfähigkeit an der Oberfläche.

Die porösen Dünnschichten werden mit gepulster Laserdeposition abgeschieden, während die mesoporösen Filme  in Kooperation mit Dr. Torsten Brezesinski (Karlsruher Institut für Technologie) und Prof. Bernd Smarsly (Physikalische Chemie, JLU) hergestellt und charakterisiert werden. Insbesondere mesoporöse Systeme eignen sich aufgrund ihres hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses und ihrer definierten Porenanordnung als Modellsysteme, um den Einfluss der Nanostruktur zu ermitteln. Die Eigenschaften der Oberfläche werden zusätzlich durch Beschichtung mittels Atomlagenabscheidung im Nanometerbereich variiert, um die Eigenschaften der Strukturen gezielt zu variieren. Die Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften erfolgt hauptsächlich mittels elektrochemischer Impedanzspektroksopie. Die frequenzabhängige Messung des Wechselstromwiderstandes ermöglicht es hierbei, die verschiedenen Transportprozesse in den Materialien aufzuklären.

Publikationen:

- E. Celik, Y. Ma, T. Brezesinski*, M.T. Elm*, “Ordered mesoporous metal oxides for electrochemical applications: correlation between structure, electrical properties and device performance“ Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 10706 (2021) – Invited Perspective

- J. Zahnow, T. Bernges, A.C. Wagner, N. Bohn, J.R. Binder, W.G. Zeier, M.T. Elm*, J. Janek*, “Impedance Analysis of NCM Cathode Materials: Electronic and Ionic Partial Conductivities and the Influence of Microstructure” ACS Appl. Energy Mater. 4, 1335 (2021)

- K. Michel, T.S. Bjørheim, T. Norby, J. Janek, M.T. Elm*, “Importance of the Spin–Orbit Interaction for a Consistent Theoretical Description of Small Polarons in Pr-Doped CeO₂“, J. Phys. Chem. C 124, 15831 (2020)

- E. Celik, R.S. Negi, M. Bastianello, D. Boll, A. Maziklin, T. Brezesinski, M.T. Elm*, “Tailoring the protonic conductivity of porous yttria-stabilized zirconia thin films by surface modification”, Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 11519 (2020)

- J. Yue, C. Suchomski, P. Voepel, R. Ellinghaus, M. Rohnke, T. Leichtweiss, M.T. Elm, B.M. Smarsly*, “Mesoporous niobium-doped titanium dioxide films from the assembly of crystalline nanoparticles: study on the relationship between band structure, conductivity and charge storage mechanism”, J. Mater. Chem. A 5, 1978 (2017)

Halbleitende Nanodrähte sind vielversprechende Bausteine für neuartige nanoskalige Halbleiterbauelemente, wie z.B. Nanodrahtfeldeffekttransistoren.  Nanodrähte zeichnen sich durch ein großes Aspektverhältnis aus, mit Längen von einigen Mikrometern und einem Durchmesser von wenigen 10 bis 100 Nanometern. Insbesondere aufgrund des geringen Durchmessers können statistische Schwankungen in der Verteilung der Dotieratome und anderer Störstellen einen großen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften haben. In der Arbeitsgruppe werden daher die elektrischen Eigenschaften von Nanodrähten genauer untersucht, um solche Effekte besser zu verstehen und für nanoskalige Bauelemente nutzen zu können.

Die Arbeiten konzentrieren sich hierbei auf Ge-dotierte GaN-Nanodrähte und (Al,Ga)N/GaN-Nanodraht-Heterostrukturen, in denen AlN-Nanodisks als Tunnelbarrieren in den Draht eingebaut werden. Die Nanodrähte werden in Zusammenarbeit mit Dr. Jörg Schörmann mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Die Ge-dotierten GaN-Nanodrähte zeigen unter anderem Fluktuationen der Leitfähigkeit in Abhängigkeit eines externen Magnetfelds. Diese Fluktuationen entstehen aufgrund des Wellencharakters der Elektronen. Auf ihrem Weg durch den Draht werden die Elektronen an Störstellen gestreut und interferieren, weswegen es zu Variationen des Widerstandes in Abhängigkeit des Magnetfelds kommt. Da diese Fluktuationen stark von den Ladungsträgern und der Dimension der Transportpfade in den Drähten abhängen, wird der Einfluss verschiedener Störstellen und der Oberflächenzustände auf die Transporteigenschaften genauer untersucht. Die Realisierung von Nanodraht-Feldeffekt-Transistoren ermöglicht u.a. die Charakterisierung der Transkonduktanz zur Bestimmung der Beweglichkeit. Im Falle der Nanodraht-Hybridstrukturen konzentrieren sich die Untersuchungen auf Tunnelphänomene der Elektronen durch die isolierenden AlN-Nanodisks.

 Publikationen:

- P. Uredat, M.T. Elm, P.J. Klar, S. Hara*, “The transport properties of InAs nanowires: an introduction to MnAs/InAs heterojunction nanowires for spintronics”, J. Phys. D: Appl. Phys. 53, 333002 (2020) – Topical Review

- P. Uredat*, R. Kodaira, R. Horiguchi, S. Hara, A. Beyer, K. Volz, P.J. Klar, M.T. Elm, “Anomalous Angle-Dependent Magnetotransport Properties of Single InAs Nanowires”, Nano Lett. 20, 618 (2020)

- P. Uredat*, P. Hille, J. Schörmann, M. Eickhoff, P.J. Klar, M.T. Elm*, “Consistent description of mesoscopic transport: Case study of current-dependent magnetoconductance in single GaN: Ge nanowires”, Phys. Rev. B 100, 085409 (2019)

- M.T. Elm*, P. Uredat, J. Binder, L. Ostheim, M. Schäfer, P. Hille, J. Müßener, J. Schörmann, M. Eickhoff, P.J. Klar, “Doping-Induced Universal Conductance Fluctuations in GaN Nanowires”, Nano Lett. 15, 7822 (2015)

Lithium-Ionen-Batterien sind heutzutage aus vielen Bereichen des alltäglichen Lebens nicht mehr wegzudenken. Insbesondere für den Ausbau der Elektromobilität ist es allerdings notwendig, die Energiedichte und die Lebenszeit von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu erhöhen.
Li(Ni_1-x-yCo_xMn_y)O₂-Verbindungen (NCM) stellen aufgrund ihrer höheren Energiedichte ein alternatives Kathodenmaterial zu LiCoO₂ dar. Allerdings treten bei NCM-basierte Kathoden unter anderem verstärkt Degradationseffekte in Kontakt mit dem Flüssigelektrolyten auf, was in der Bildung einer isolierenden Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche führt und die Zyklenstabilität der Kathodenmaterialien reduziert. Ein Ansatz, die ungewollten Degradation der Kathodenoberfläche zu unterdrücken, ist die Beschichtung mit einer dünnen, inerten Schutzschicht, was die Oberfläche der Kathoden stabilisiert und oftmals zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Batterien führt. Die Wirkungsweise der Schutzschichten ist allerdings nicht ausreichend verstanden. Insbesondere die Untersuchung der stattfinden Grenzflächenreaktionen mit oberflächensensitiven Methoden wird durch die hohe Rauigkeit der Kathodenoberfläche erschwert. In der AG Elm werden daher Dünnschichtkathoden als Modellsystem hergestellt, um Degradationseffekte an der Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche sowie die Wirkungsweise der Beschichtungen besser untersuchen zu können. Untersuchungen mittels Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS), atomarer Kraftmikroskopie (AFM) oder Raman-Spektroskopie liefern hierbei Hinweise auf die stattfindenden Reaktion und erlaubt so Strategien für eine Optimierung der Schutzschichten zu entwickeln.  

Publikationen:

- H. Hemmelmann, R. Ruess, P. Klement, J. Schörmann, S. Chatterjee, J. Sann, M.T. Elm*, “Correlation between Surface Reactions and Electrochemical Performance of Al₂O₃- and CeO₂-Coated NCM Thin Film Cathodes“ ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 2202268 (2023)

- J. Lüchtefeld, H. Hemmelmann, S. Wachs, K. J. Mayrhofer, M.T. Elm, B. B. Berkes*, “Effect of Water Contamination on the Transition Metal Dissolution in Water-enriched Electrolyte: A Mechanistic Insight into a New Type of Dissolution“ J. Phys. Chem. C 126, 17204 (2022)

- H. Hemmelmann, J. Dinter, M.T. Elm*, “Thin Film NCM Cathodes as Model Systems to Assess the Influence of Coating Layers on the Electrochemical Performance of Lithium Ion Batteries”, Adv. Mater. Interface 8, 2002074 (2021)