Ceroxid ist ein wichtiges Material für moderne Drei-Wege-Katalysatoren für die automobile Abgasnachbehandlung und ein vielversprechender Kandidat als Elektrode und Elektrolyt für die Verwendung in Festoxid-Brennstoffzellen. Für diese Anwendungen spielt der Austausch von Sauerstoff an der Oberfläche des Materials eine entscheidende Rolle, da vermutet wird, dass der Sauerstoff-Austausch, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, der limitierende Faktor für die Bauteil Leistung ist.

Der Elektronentransfer vom Oxid zu adsorbierten Sauerstoffmolekülen wird häufig als ratenbestimmend für den Einbau von Sauerstoff angenommen. Auf Grundlage dieser Annahme wird diese Arbeit einen möglichen direkten Zusammenhang zwischen dem Austauschkoeffizienten k und dem elektrochemischen Potential der Elektronen, dem Fermi Level, an der CeO2 Oberfläche untersuchen. Die absolute Position des Fermi Levels in Relation zur Vakuumenergie ist durch die Austrittsarbeit des Materials gegeben. Der Hypothese dieser Arbeit folgend, sollte daher die Austrittsarbeit von Ceroxid einen direkten Effekt auf den Sauerstoff-Austauschkoeffizient an der Oberfläche haben. Diese Arbeit stellt eine systematische Untersuchung des Fermi Levels, Ionisationspotentials und der Austrittsarbeit in Abhängigkeit der Oberflächenorientierung von Akzeptor-, Donator und undotierten Ceroxid Dünnschichten. Die Schichten, welche durch Magnetron-Kathodenzerstäubung von keramischen Targets hergestellt wurden, wurden mittels Photoelektronen-Spektroskopie analysiert. Um Informationen über die kristallographische Orientierung der Schichten zu erlangen, wurden Röntgenbeugungs-Messungen durchgeführt. Zusätzlich wurden Sauerstoff-Tracer Austausch-Experimente in Kombination mit Sekundärionen-Massenspektrometrie und Leitfähigkeits-Relaxations Messungen, in Kollaboration mit dem IPC an der RWTH Aachen, durchgeführt um Austausch- und Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. Durch Leitfähigkeits-Messungen bei verschiedenen Temperaturen und Sauerstoff-Partialdrücken wurde die Defektstruktur von CeO2 untersucht, indem die gemessenen Leitfähigkeiten mit Berechnungen aus einem Punktdefekt-Model verglichen wurden.

Obwohl eine direkte Korrelation zwischen Austrittsarbeit und Sauerstoff-Austauschkoeffizient mit Ceroxid als Modellsystem nicht gezeigt werden konnte, bietet diese Arbeit neue Erkenntnisse zu CeO2 Oberflächenpotentialen. Desweiteren stellt diese Arbeit die erste systematische Studie dieser Eigenschaften als eine Referenz für andere Forschungsfelder, in denen die Oberflächenpotentiale von Ceroxid von Bedeutung sind.