Universität Stuttgart
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Item Open Access Atom probe study on CuNi thin films : miscibility gap and grain boundary segregation(2023) Duran, Rüya; Schmitz, Guido (Prof. Dr. Dr. h. c.)In dieser Arbeit wurde die Lage der Mischungslücke, und die Korngrenzsegregation im Legierungssystem, Kupfer-Nickel, per Atomsondentomographie (APT) analysiert. Zur Untersuchung der Mischungslücke eines binären Systems mit langsamer Diffusion wurde ein neues Verfahren verwendet. Multilagen aus Cu- und Ni- Dünnschichten wurden mittels Ionenstrahlbeschichtung (IBS) auf Wolframpfosten beschichtet und durch fokussierte Ionenstrahlung (FIB) geformt. Bei drei unterschiedlichen Temperaturen, zwischen 573 und 673 K, wurden isotherme Auslagerungssequenzen an einem Ultrahochvakuumofen (UHV) durchgeführt und der Mischungsprozess analysiert. Ein Modell des Diffusionsprozesses wurde mittels mathematischer Überlegungen erstellt. Durch das Fitten der experimentellen Kompositionsprofile mittels dieses Modells konnten die Gleichgewichtskonzentrationen der Schichten auch mit relativ kurzen Auslagerungszeiten ermittelt werden. Darüber hinaus konnten aus den diffusionskontrollierten Zeit- und Temperaturdaten physikalische Eigenschaften wie der effektive Diffusionskoeffizient (Gitterdiffusion einschließlich Defektdiffusion) bestimmt werden. Dieser betrug Deff = 1.86 ∙ 10-10 m2/s ∙ exp(-164 kJ mol-1/RT). Während dem Vermischen wurde die Änderung der multilagigen Mikrostruktur bis zur vollständigen Mischung bei 623 und 673 K beobachtet, wobei Korngrenzen als schneller Diffusionsweg eine wichtige Rolle spielen. Bei 573 K wurde Nichtmischbarkeit experimentell deutlich nachgewiesen, wobei die Phasengrenzen bei cNi=26 at.% und cNi=66 at.% liegen. Mit diesen Phasengrenzen wurde die Mischungslücke über eine Redlich-Kister-Parametrisierung der Gibbs‘schen freien Energie über den gesamten Konzentrationsbereich rekonstruiert. Hierin wurde für die kritische Temperatur, TC, 608 K bei einer Konzentration von 45 at% Ni gefunden. Im zweiten Teil wurde die Korngrenzsegregation durch die FIB/tEBSD- (Transmissions-Elektronen-Rückstreubeugung) Technik, in Korrelation zu APT-Messung charakterisiert. Vier Legierungen mit einem Ni-Anteil zwischen 25 und 85 at.% wurden auf Wolframpfosten per IBS beschichtet, und bei 700 K für 24 h wärmebehandelt. Die Segregation von Cu in die Korngrenzen wurde beobachtet. Durch die Verwendung eines theoretischen Models wurde die Exzess-Kurve über den gesamten Konzentrationsbereich, und die Korngrenz-Formationsenergie auf Basis der experimentellen Daten berechnet. Die tEBSD-Analyse während der FIB-Präparation erlaubt die Identifikation der Körner und deren Orientierung. Ein neues Verfahren wurde entwickelt, um mithilfe der Orientierung benachbarter Körner, Berechnungen zur Ermittlung der Korngrenzorientierung durchzuführen und somit die Orientierung natürlicher Korngrenzen zu bestimmen. Mit diesem Verfahren konnte der zeitliche Aufwand dieser anspruchsvollen Auswertung (verglichen zur herkömmlichen Methode mittels TEM-Untersuchung) stark reduziert werden, so dass eine quantitative Analyse vieler Korngrenzen möglich wurde. Aus den einzelnen Korngrenzorientierungen wurde die Korngrenzrotation, und die jeweiligen Anteile an Kippung und Drehung berechnet. Eine Abhängigkeit der Feststoffsegregation vom Kipp- und Drehanteil der Korngrenze wurde beobachtet, die am kleinsten für die reine Kipp- und Drehrotation war. Die ermittelten Segregationsweiten sind signifikant größer als die strukturellen Korngrenzweiten und bewegen sich zwischen 12 und 85 Å. Dieses Verhalten wurde durch eine künstliche Verbreiterung der Korngrenze erklärt, die durch eine Flugbahnabweichung der Korngrenzatome während der Verdampfung verursacht wurde. Eine Korngrenzweite von w0 = (10.1 ± 1.5) Å wurde für eine unverfälschte Korngrenze gefunden.Item Open Access Hydrogen transport in thin films : Mg-MgH2 and Ti-TiH2 systems(2018) Hadjixenophontos, EfiHydrogen storage has become progressively important due to increasing energy demand. Magne-sium (Mg/MgH2) is one of the most promising elements of hydrogen uptake, however, the slow kinetics and need for high temperatures during dehydrogenation make this material challenging for mobile applications. Meanwhile, Titanium (Ti/TiH2/TiO2) draws attention due to its catalytic effect in hydrogenation of other metals with higher capacities. A comprehensive way to quantitatively char-acterize the kinetics of hydride formation in both systems (Mg and Ti) is shown here. A technique allowing a large range of pressures and temperatures (room temperature to 300 °C and from 0.05 bar up to 100 bar) is developed successfully. Thin films (50-1000 nm), deposited by ion beam sput-tering (PVD), are used because of their smooth surface and defined structure. In order to study hydrogen transport precisely, X-ray diffraction (XRD), electron microscopy (SEM/FIB/TEM) and electric resistance measurements are used. In the case of Mg, while a Pd coating is used as catalyst, the hydride is formed from the surface towards the substrate and transformation in the morpholo-gy is observed. Parabolic law is followed and the diffusion coefficient of hydrogen in MgH2 is ob-tained at room temperature (2.67 · 10-17 cm2/s). Additionally, a model is created to fit the experi-mental change in resistance during hydrogen loading and shows the changes in the behavior of thicker layers. The interface between Pd/Mg is discussed, since Mg5Pd2 and Mg6Pd are formed at high temperatures and are most dominant over dehydrogenation. However, at room temperature, this interface appears to be more stable. The activation energy of hydrogenation is calculated ex-perimentally from an Arrhenius plot to be equal to Ea = 22.6 ± 2.0 kJ/mol and the pre-factor D0 = 3904 cm2/s. Additional attention is given to magnesium hydride as an anode electrode in Li-ion bat-teries. TEM investigations of thin film electrodes demonstrate the complete lithiation of the mate-rial however, with drastic volume changes, leading to bad reversibility. In Ti the thin oxide layer naturally formed on the surface, appears to play a dominant role in the kinetics of hydrogen transport leading to a linear kinetics. A pressure dependency is observed, while an experimental evaluation of the permeation coefficient in the oxide is also discussed. Important information on the hydrogen transport is obtained in both systems, giving an input for further improvements of such hydrides.Item Open Access Misfit-layered cobalt oxides for thermoelectric energy conversion(2017) Büttner, Gesine; Weidenkaff, Anke (Prof. Dr.)The conversion of waste heat into electrical current by a thermoelectric converter can significantly contribute to a more sustainable usage of our resources. The p-type misfit-layered [Ca2CoO3-δ][CoO2]1.62 is known for its promising conversion efficiency, which yet needs to be improved significantly for commercial applications. The efficiency of a material increases with the Figure of Merit ZT=σα^2/κ, with Seebeck coefficient α, electrical conductivity σ, and thermal conductivity κ. The aim of this thesis is to provide a better understanding of the electrical and the thermal properties of the complex [Ca2CoO3 δ][CoO2]1.62 and to use this understanding to improve the efficiency of converters. Accordingly, (i) the increase of ZT via cation substitution is shown; (ii) a better understanding of the electrical transport above room temperature is developed; (iii) the effect of stoichiometric defects and secondary phases on the thermoelectric properties is investigated. Finally, (iv) [Ca2CoO3 δ][CoO2]1.62 - CaMn0.97W0.03O3 δ - converters are fabricated and the efficiency is increased by a suitable converter design. More specifically, the unexplored influence of Ru and In substitution on the thermoelectric properties of the polycrystalline [Ca2CoO3 δ][CoO2]1.62 is investigated. While In does not have a positive effect, Ru for Co substitution increases ZT up to 20 %. This increase stems from a strong reduction of the thermal conductivity - which is probably induced by resonance scattering - while the decrease of the power factor α^2 σ is minor. The electrical transport mechanism of pure and Ru-substituted [Ca2CoO3 δ][CoO2]1.62 between room temperature and 800 K so far lacks a coherent theoretical model. Surprisingly, the framework of Anderson localization, which was developed to describe conduction in an impurity band of semiconductors, can be applied to the oxide. The Anderson model assumes that transport happens via charge-carrier hopping in a random Coulomb potential. For [Ca2CoO3 δ][CoO2]1.62, charges are considered to hop between Co sites in the CoO2 layer, while the random potential originates from interactions with the mismatched Ca2CoO3 δ layer. The presence of the ionized Ru atoms further alters the Coulomb potential, which increases the activation energy of the transport behavior. This understanding might contribute to the development of better theoretical models for the prediction of the thermoelectric properties of substituted [Ca2CoO3 δ][CoO2]1.62 compounds. A further improvement of the materials efficiency can be achieved by systematic introduction of stoichiometric defects and impurity phases. Here, the unexplored influence of the Co/Ca ratio on the thermoelectric properties of [Ca2 wCoO3 δ][CoO2]1.62, and the effect of Co3O4 impurity phase are investigated. It is shown that an increasing Co/Ca ratio in the [Ca2 wCoO3 δ][CoO2]1.62 phase leads to a larger figure of merit ZT induced by a strong resistivity drop. The decrease of resistivity stems from additional p-type charge carriers created by the formation of Ca vacancies. The Co3O4 impurity phase increases the thermal conductivity of the composite samples and leads to a reduction of ZT when the volume fraction of the Co3O4 phase is increased from 1% to 3%. Hence, the best figure of merit is expected close to the upper phase boundary of the [Ca2 wCoO3 δ][CoO2]1.62 phase. Not only the figures of merit of the materials, but also the design of a thermoelectric converter determines the device efficiency. In a converter, a p-type and a suitable n-type thermoelectric material are connected electrically in series and thermally in parallel. Here, [Ca2 wCoO3 δ][CoO2]1.62 is combined with the n-type CaMn0.97W0.03O3-δ and the device efficiency is improved by a variation of the ratio A_p/A_n of the cross section areas of the legs. The good agreement between the experimental values and the predictions of the compatibility model show the high quality of the fabricated devices and the value of the model for the optimization of the converter design. The adjustment of A_p/A_n improves the power output and the efficiency of the converters, where the best volume and area power densities exceed published high temperature values. The achieved efficiency of 1.08 % at a temperature of 1085 K at the hot side is close to the theoretical expected efficiency and can be further improved via ZT.