Kinetische Untersuchungen an der Phasengrenze zwischen Sauerstoffionenleitern und Niedertemperatur-Sauerstoffplasmen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Grenzflächenkinetik an derPhasengrenze Sauerstoffionenleiter /Niedertemperatur-Sauerstoffplasma untersucht. Für dieDurchführung der Experimente wurde eineRadiofrequenz-Plasmaapparatur konstruiert. DieRadiofrequenzleistung (13,56 MHz) von maximal 300 W wirdinduktiv an den Reaktor angekoppelt. Plasmen können bei Drückenvon 10 Pa bis 800 Pa erzeugt werden. Die Charakterisierung derEntladung erfolgt durch Doppelsondenmessungen und optischeEmissionsspektroskopie.

Zur Untersuchung der Grenzflächenkinetik im Plasma werden dreiunterschiedliche kinetische Experimente durchgeführt:< sup> 18< /sup> O /< sup> 16< /sup> O-Isotopenaustauschexperimentean mit Yttrium stabilisierten Zirconiumdioxid-Einkristallen (YSZ,(100)-orientiert, 9,5 mol-%), impedanzspektroskopische Messungenan der elektrochemischen Zelle Pt/YSZ/Pt undLeitfähigkeitsrelaxationsmessungen an akzeptordotierten (Fe, Sc)Strontiumtitanat-Einkristallen (100). Für denIsotopenaustausch im Sauerstoffplasma an YSZ wird eine um bis zueinen Faktor 100 erhöhte Ratenkonstante ermittelt. Aus denimpedanzspektroskopischen Messungen an der Zelle Pt/YSZ/Pt imPlasma ergibt sich eine Verringerung des Elektrodenwiderstands,die unter Berücksichtigung des experimentellen Fehlers auf dieTemperaturerhöhung durch das Plasma zurückgeführt werden kann. Dieaus den Leitfähigkeitsrelaxationsexperimenten an Sc-dotiertemSrTiO< sub> 3< /sub> im Plasma erhaltenen Ratenkonstanten für denSauerstoffein- sowie den -ausbau sind kleiner als an derPhasengrenze mit molekularem Sauerstoff. Beim Fe-dotiertenSrTiO< sub> 3< /sub> sind hingegen beide Ratenkonstanten erhöht.

The kinetics at the interface oxygen ion conductor / lowtemperature oxygen plasma is being investigated. For theexperiments a radio frequency plasma reactor has been constructed.The radio frequency (13,56 MHz) with a maximum power of 300 W iscoupled in inductively. The working pressure equals 10 Pa to800 Pa. Double probe measurements and optical emissionspectroscopy have been utilized for the characterization of theplasmas.

For the investigation of the kinetics at the interface to theplasma three types of experiments are performed:< sup> 18< /sup> O/< sup> 16< /sup> O-isotopic exchange experiments onyttria stabilized zirconia (YSZ, 9.5 mol-%, (100)-orientation),impedance spectroscopy on the cell Pt/YSZ/Pt and conductivityrelaxation experiments with single crystalline acceptor doped (Fe,Sc) strontium titanate (100). The rate constant for the isotopicexchange within a plasma is up to 100 times higher than usingmolecular oxygen. The impedance measurements show a smallerelectrode resistance within the plasma. This behaviour isattributed to the higher temperature within the plasma. The rateconstants for the oxygen in- and excorporation into Sc-dopedSrTiO< sub> 3< /sub> are lower using oxygen plasma. Fe-dopedSrTiO< sub> 3< /sub> shows the contrary behaviour.