Stabilität von Sr(Ti0.65,Fe0.35)O3-δ - am IWE

5 Ausblick: Stabilisierung durch Lanthandotierung
5.1 Motivation und Herstellung
In den vorherigen Kapiteln wurde zum einen gezeigt, dass sich STF in einer reduzierenden
Umgebung bei hohen Temperaturen zersetzt. Zum anderen liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient
von STF über dem der anderen Materialien, aus denen das Multilayersystem
Sensor besteht. In dieser chemischen Zusammensetzung ist STF somit nicht als resistives
Sensormaterial einsetzbar.
In dem Ausblick soll gezeigt werden, dass eine Lanthandotierung stabilisierend auf das Materialsystem
Sr(Ti 0.65 ,Fe 0.35 )O 3-δ wirkt.
Grund für den Sprung im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von STF (siehe 4.2) ist die
hohe Anzahl von Sauerstoffleerstellen, die durch die 35%ige Eisendotierung entstehen (siehe
2.3.2). Wird die Eisendotierung reduziert, vermindert sich auch die Anzahl der Sauerstoffleerstellen.
Allerdings bestimmt die Eisenkonzentration (x) ebenfalls die Bandlücke im Halbleiter
gemäß E g = 3,26 – 1,94 x + 0,54 x² eV [26]. Mit einem veränderten Bandabstand verliert STF
seine Temperaturunabhängigkeit (siehe 2.3.2).
Eine weitere Möglichkeit, die Sauerstoffleerstellenanzahl zu reduzieren, ist die Dotierung von
STF mit einem Donator. Die Ionisierungsenergie des Donators liegt unterhalb der Energie, die
aufgewendet werden muss, damit Sauerstoffatome das Gitter verlassen und zwei Elektronen
abgeben. Der Akzeptor Eisen erhält sein zusätzliches Elektron deshalb vom Donator und
nicht von der Sauerstoffleerstelle. Lanthan wirkt sozusagen als Gegendotierung zum Akzeptor
Eisen.
Mit einer Donatordotierung verschiebt sich das intrinsische Minimum hin zu höheren Sauerstoffpartialdrücken.
Der Gesamtwiderstand steigt leicht an. Die Kinetik und die Ansprechzeit
des Sensors ändern sich nicht [3] [24].
Mit der üblichen „Mixed-Oxide-Technik“ wurde La 0.1 Sr 0.9 (Ti 0.65 Fe 0.35 )O 3-δ (L10STF) hergestellt,
d.h. 10% der Sr-Atome wurden dabei durch La-Atome ersetzt. Problematisch erwies
sich während der Präparation, dass Lanthan mit Wasser leicht ein Hydroxid bildet (5.1). Der
Rohstoff La 2 O 3 bildete also keine stabile Einwägeform. Es ist somit unwahrscheinlich, dass
die La-Dotierung tatsächlich 10% betrug. Rechnet man die Elementverbindungen auf die
Molmassen um, erhält man eine verminderte Einwaage von 14,2%, was
La 0.085 Sr 0.9 (Ti 0.65 Fe 0.35 )O 3-δ entspräche.
2La+ 6H2O←⎯⎯→
⎯ 2 La( OH) 3+
3H2
(5.1)
Deshalb hätte zur Einwaage besser nicht hygroskopisches Lanthanoxycarbonat (LaO) 2 CO 3
verwandt werden sollen.