Eine Nase aus Strontiumtitanat soll Lambda-Sonde ersetzen

Die Lambda-Sonde des Katalysators auf der Basis von Zirkoniumdioxid versagt bei Temperaturen oberhalb von 600 Grad Celsius und kann daher nicht in unmittelbarer Nähe zum Verbrennungsort, den sehr heißen Zylindern, sondern erst im kühleren Abgasrohr die Zusammensetzung des Gases messen. So reguliert sie immer einen Augenblick zu spät. Als schneller Sauerstoffsensor bei hohen Temperaturen kommt Strontiumtitanat (SrTiO₃) in Betracht. Ein deutscher Automobilhersteller versuchte es einzusetzen. Leider waren die Versuche jedoch nicht von Erfolg gekrönt, denn nach einigen Monaten bildeten sich auf dem Material „blinde Flecken“. Strontiumoxidinseln (SrO) auf der Oberfläche senkten die Empfindlichkeit des Sensors.

Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Dipl.Chem. Anissa Gunhold und Dr. Karsten Gömann erforschen nun die Ursachen der Bildung dieser Schichten. Projektleiter des interdisziplinären Forschungsvorhabens sind Professor Dr.-Ing. Günter Borchardt vom Institut für Metallurgie und Dr. Wolfgang Maus-Friedrichs vom Institut für Physik und Physikalische Technologien. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Vorhaben.

Wie funktioniert die „Nase“ aus Strontiumtitanat? Dr. Maus-Friedrichs erklärt: „In dotierten Strontiumtitanatkristallen entstehen in Abhängigkeit von Temperatur, Dotierung und äußerem Sauerstoffpartialdruck Sauerstoffleerstellen. Wegen der notwendigen Ladungsneutralität werden sie durch quasi-gebundene Elektronen kompensiert. Diese Elektronen sind leicht beweglich. Legt man nun ein elektrisches Feld an, so fließt ein Strom. Zwischen der Anzahl der Sauerstoffleerstellen und dem außen anliegenden Sauerstoffpartialdruck entsteht ein dynamisches Gleichgewicht, in dem kontinuierlich Leerstellen aufgefüllt bzw. neue Leerstellen geschaffen werden. Die elektrische Leitfähigkeit wird dabei um so geringer je höher der Sauerstoffpartialdruck in der umgebenden Gasatmosphäre ist.“ Dieses „schöne“ Messprinzip funktioniert auch noch bei Temperaturen über 1000 Grad Celsius. „Nach einiger Zeit bilden sich aber die erwähnten blinden Flecke. Wir wollen verstehen, wie es zur Bildung dieser isolierenden Inseln kommt und ob man diese Bildung verhindern kann“, sagt Dipl. Chem. Anissa Gunhold. Hierzu sollen die chemische Zusammensetzung und die Anordnung der Atome im Kristallgitter der verschiedenen Oberflächenbereiche experimentell bestimmt werden. Zunächst sollen Einkristalle, später polykristalline Strontiumtitanatfilme untersucht werden. Die Rolle der einzelnen Einflussfaktoren, also Art und Konzentration der Dotierung, Sauerstoffpartialdruck, Glühtemperatur und -zeit, muss geklärt werden. Dann können Strategien entworfen werden, wie die Bildung der isolierenden Bereiche vermieden werden kann, d. h. wie die Strontiumtitanat-Nase ihre Empfindlichkeit behalten kann.

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Institut für Physik und Physikalische Technologien
TU Clausthal

Dipl. Chem.
Anissa Gunhold
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