TU Darmstadt / ULB / TUprints

Dislocation-mediated Electrical Conductivity in Metal Oxides Titania and Yttria-Stabilized Zirconia

Muhammad, Qaisar Khushi (2022):
Dislocation-mediated Electrical Conductivity in Metal Oxides Titania and Yttria-Stabilized Zirconia. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021408,
[Ph.D. Thesis]

[img] Text
PhDthesis_QMDekanat.pdf
Available under: CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution ShareAlike.

Download (7MB)
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Dislocation-mediated Electrical Conductivity in Metal Oxides Titania and Yttria-Stabilized Zirconia
Language: English
Abstract:

Using dislocations as one-dimensional dopants is a novel concept that utilizes their elastic strain field, charged core, and associated compensating space charge to engineer the functional properties of metal oxides. In contrast to comparatively mature research fields, such as the mechanical deformation of metals, little is known about the plastic deformation of metal oxides due to their brittle nature. Consequently, the tailoring and impact of mechanically introduced dislocations on functional properties, especially electrical conductivity, remain under investigated. In this work, these issues are addressed by investigating the influence of mechanically generated dislocations on the electrical properties of the two important metal oxides. Model material systems are chosen to be rutile (TiO2) and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) due to their many technological applications such as solar cells, water splitting, memory devices, Li-ion batteries, and solid electrolytes in fuel cells (SOFCs). A comprehensive framework is developed by utilizing dislocations to tune the electronic and ionic conductivity of metal oxides. It is illustrated that understanding the mechanics of the subjected material system helps introduce significantly large deformation in metal oxides, which are considered brittle otherwise. Several dislocation configurations can be systematically achieved by changing the deformation conditions. The resulting electrical response of induced dislocation networks is accessed via electrochemical impedance spectroscopy, including bulk and microcontact modes, supplemented by scanning probe microscopy. These measurements indicated that the electrical conductivity could both be increased and decreased by merely controlling the mesoscopic dislocation structure. Dislocation configuration is identified as a tuning parameter over which it is shown that unprecedented control allows us to engineer the electrical conductivity above what can be achieved by point defect doping. Induced dislocation networks profoundly impact the electronic conductivity of rutile and can induce behavior akin to the donor and/or acceptor doping in the pristine material. Arranged dislocation regions showed several orders of magnitude higher electrical conductivity compared to the pristine regions. The physical interpretation of the data results in a quantitative description of the impact of dislocations as highly conductive pathways in rutile. This route is further expanded to study the influence of mechanically generated dislocations on the ionic conductivity of YSZ. Highly aligned dislocation-rich and -deficient regions are generated; an in-depth electrical characterization of these regions exhibited highly conducting effects of dislocation-induced strain inside the bulk material. The underlying mechanism for the observed enhancement in the ionic conductivity is discussed in detail. So far, such effects were only illustrated via DFT calculations and in strained thin films. However, in this work, the potential of mechanically induced dislocations is presented as a design element to tune the bulk ionic transport. The underlying mechanism responsible for the observed enhancement in ionic conductivity is discussed in detail. Furthermore, it is emphasized that dislocations possess the potential to tune the electronic and ionic conductivity of metal oxides. These effects are explained by deconvoluting the dislocation character, core charge properties, possibly existing space charge, and their mesoscopic arrangement. The combined concepts of dislocation mechanics and solid-state ionics indicate that dislocation-mediated, highly stable electrical conductivity can be used to modify the electronic and ionic charge transport locally and globally. Therefore, these results allow an additional degree of freedom for tuning various functional oxides' electronic/ionic properties apart from chemical doping strategies.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Verwendung von Versetzungen als eindimensionale Dotierstoffe ist ein neuartiges Konzept, das ihr elastisches Dehnungsfeld nutzt, geladener Kern und die damit verbundene kompensierende Raumladung, um die funktionellen Eigenschaften von Metall zu konstruieren Oxide. Im Gegensatz zu vergleichsweise ausgereiften Forschungsfeldern wie der mechanischen Verformung von Metallen, Über die plastische Verformung von Metalloxiden ist aufgrund ihrer spröden Natur wenig bekannt. Folglich ist die Maßschneidern und Einfluss von mechanisch eingebrachten Versetzungen auf funktionelle Eigenschaften, insbesondere elektrische Leitfähigkeit, werden noch untersucht. In dieser Arbeit werden diese Probleme durch die Untersuchung des Einflusses mechanisch erzeugter Energie angegangen Versetzungen auf die elektrischen Eigenschaften der beiden wichtigen Metalloxide. Modellmaterialsysteme sind Aufgrund ihrer vielen technologischen Anwendungen wurden Rutil (TiO2) und Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) ausgewählt wie Solarzellen, Wasserspaltung, Speichergeräte, Li-Ionen-Batterien und Festelektrolyte in Brennstoffzellen (SOFC). Ein umfassender Rahmen wird entwickelt, indem Versetzungen verwendet werden, um die elektronischen und ionischen Elemente abzustimmen Leitfähigkeit von Metalloxiden. Es wird veranschaulicht, dass das Verständnis der Mechanik des behandelten Materials System trägt dazu bei, eine signifikant große Verformung in Metalloxide einzuführen, die als spröde gelten ansonsten. Mehrere Versetzungskonfigurationen können systematisch durch Veränderung der Deformation erreicht werden Bedingungen. Auf die resultierende elektrische Reaktion induzierter Versetzungsnetzwerke wird über zugegriffen Elektrochemische Impedanzspektroskopie, einschließlich Bulk- und Mikrokontaktmodus, ergänzt durch Rastersondenmikroskopie. Diese Messungen zeigten, dass die elektrische Leitfähigkeit beides sein könnte erhöht und verringert, indem lediglich die mesoskopische Versetzungsstruktur gesteuert wird. Luxation Konfiguration wird als Tuning-Parameter identifiziert, über den gezeigt wird, dass eine beispiellose Kontrolle möglich ist uns, die elektrische Leitfähigkeit über das hinaus zu bringen, was durch Punktdefektdotierung erreicht werden kann. Induzierte Versetzungsnetzwerke haben einen tiefgreifenden Einfluss auf die elektronische Leitfähigkeit von Rutil und können induzieren Verhalten ähnlich dem Donor- und/oder Akzeptor-Doping im ursprünglichen Material. Angeordnete Versetzungsregionen zeigte im Vergleich zu den unberührten Regionen eine um mehrere Größenordnungen höhere elektrische Leitfähigkeit. Das Die physikalische Interpretation der Daten führt zu einer quantitativen Beschreibung der Auswirkungen von Versetzungen wie zhochleitfähige Pfade in Rutil. Dieser Weg wird weiter ausgebaut, um den Einfluss mechanisch erzeugter Versetzungen auf die Ionen zu untersuchen Leitfähigkeit von YSZ. Hochgradig ausgerichtete versetzungsreiche und -defiziente Regionen werden erzeugt; bis in die Tiefe Die elektrische Charakterisierung dieser Bereiche zeigte hochleitende Effekte der durch Versetzung induzierten Spannung im Schüttgut. Der zugrunde liegende Mechanismus für die beobachtete Verstärkung im ionischen Leitfähigkeit wird ausführlich besprochen. Bisher wurden solche Effekte nur über DFT-Rechnungen und in dargestellt gespannte dünne Filme. In dieser Arbeit wird jedoch das Potenzial mechanisch induzierter Versetzungen vorgestellt als Designelement zur Abstimmung des Volumenionentransports. Der zugrunde liegende Mechanismus, der für die verantwortlich ist die beobachtete Verbesserung der Ionenleitfähigkeit wird im Detail diskutiert. Darüber hinaus wird betont, dass Versetzungen das Potenzial besitzen, das Elektronische und Ionische abzustimmen Leitfähigkeit von Metalloxiden. Diese Effekte werden erklärt, indem der Versetzungscharakter Kern entfaltet wird Ladungseigenschaften, eventuell vorhandene Raumladung und deren mesoskopische Anordnung. Das Kombinierte Konzepte der Versetzungsmechanik und Festkörper-Ionen weisen darauf hin, dass Versetzungs-vermittelt, sehr stabil elektrische Leitfähigkeit kann verwendet werden, um den elektronischen und ionischen Ladungstransport lokal und global zu modifizieren. Daher ermöglichen diese Ergebnisse einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Abstimmung verschiedener funktioneller Oxide' elektronische/ionische Eigenschaften abgesehen von chemischen Dotierungsstrategien.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 92, CXI Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Nonmetallic-Inorganic Materials
Date Deposited: 20 May 2022 13:02
Last Modified: 20 May 2022 13:03
DOI: 10.26083/tuprints-00021408
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-214080
Referees: Frömling, Dr. Till ; Hofmann, Prof. Dr. Jan Philipp ; Kleebe, Prof. Dr. Hans-Joachim ; Müller, Prof. Dr. Ralf
Date of oral examination: 17 March 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21408
Export:
Actions (login required)
View Item View Item