Untersuchung elektromechanischer Oberflächeneigenschaften von Ionenleitern mittels einer neu entwickelten Methode der Rasterkraftmikroskopie

Abstract

In dieser Arbeit werden elektromechanische Oberflächenverformungen mit Hilfe einer für die elektrochemische Verformungsmikroskopie entwickelten neuen Methode der Rasterkraftmikroskopie untersucht. Bei dieser im Kontaktmodus betriebenen Methode wird mittels Bandanregung eine elektromechanische Oberflächenverformung der Probe hervorgerufen, sodass die Schwingung der Oberfläche wiederum den Federbalken anregt. Die gleichzeitig auftretenden kapazitiven Kräfte zwischen Hebelarm und Probe verdecken dabei allerdings den wesentlich kleineren elektromechanischen Anteil zur Schwingungsamplitude. Die Beseitigung des elektrostatischen Anteils gilt daher als die bedeutendste Herausforderung in der quantitativen elektrochemischen Verformungsmikroskopie. Mittels der vorgestellten Methode gelingt schließlich die Überwindung dieser Herausforderung. Zur Anregung werden zwei verschiedene Frequenzregime getrennt genutzt: Erst wird die Kontaktresonanz direkt angeregt, dann folgt eine hochfrequente Anregung, die mit der Kontaktresonanzfrequenz amplitudenmoduliert ist. In beiden Fällen schwingt der Federbalken in Resonanz, um die nur wenige Pikometer kleine Oberflächenschwingung zu verstärken. Die so erhaltenen Resonanzamplituden bei zwei verschiedenen Anregungsfrequenzen können bei verschiedenen Gleichspannungen miteinander verglichen werden, um den elektrostatischen Anteil vollständig zu eliminieren und zusätzlich noch die Frequenz- und Spannungsabhängigkeit der auftretenden Oberflächenverformung zu charakterisieren. Beispielsweise nimmt die durch elektrochemische Diffusion begrenzte Vegard-Verformung reziprok proportional zur Wurzel der Anregungsfrequenz ab. Zusätzlich werden Simulationen zur Hebelarmschwingung aufgestellt und mit den Messwerten zu verglichen, um die Oberflächenverformung, von der Schwingungscharakteristik des Hebelarms befreit, quantifizieren zu können. Als Modellsysteme werden die piezoelektrischen Verformungen auf einem SiO2 -Piezosimulator, auf periodisch polarisiertem LiNbO3 und auf einer Lithium-Ionen leitenden Glaskeramik untersucht. Außerdem werden elektrochemisch verursachte Vegard-Verformungen auf den Kathodenmaterialien LiCoO2 und Cu2Mo6S8 untersucht. Auf der Glaskeramik und Cu2Mo6S8 werden zudem temperaturabhän- gige Messungen durchgeführt.