Defekter og transport i Ba3La(PO4)3

Abstract

Ba3La(PO4)3 har i en tidligere studie vist å lede protoner ved høye temperaturer. Aspekter tilknyttet defektstrukturen og transportmekanismene krever imidlertid nærmere undersøkelser og denne oppgaven tilstreber å gi en større innsikt i dette. I dette arbeidet ble akseptordopet og nominelt udopet Ba3La(PO4)3 fremstilt i to ulike faststoffreaksjoner, og prøvene ble karakterisert med hensyn på struktur og sammensetning ved hjelp av XRD, SEM og EDS. Elektrisk karakterisering ble gjort med AC-ledningsevne¬målinger som funksjon av temperatur, p(O2) og p(H2O). Det ble funnet at ledningsevnen til nominelt udopet Ba3La(PO4)3 var lav og viste verken p(O2)- eller p(H2O)-avhengighet. Det ble derfor regnet som sannsynlig at denne prøven i virkeligheten var effektivt donordopet, og det ble spekulert i om det i så fall kunne skyldes delvis termisk dekomponering av prøven. Det ble videre vurdert om en slik prosess kunne settes i sammenheng med problemer med å oppnå faserenhet i en rekke prøver, eller om dette hadde andre årsaker, som at prøvene ble redusert av karbon, eller at reaksjonskinetikken simpelthen var langsom. Totalledningsevnen til akseptordopet Ba3La(PO4)3 domineres av protoner i fuktige atmosfærer under 900 °C, og over denne temperaturen får ledningsevnen et bidrag av elektronhull. I tørre atmosfærer domineres ledningsevnen av oksygenvakanser og en minoritetskonsentrasjon av elektronhull. Det ble spekulert i hvorvidt protoner er dominerende ladningsbærer ved de laveste temperaturene i tørr atmosfære. På bakgrunn av de foretatte elektriske målingene ble materialet tilskrevet en defektkjemisk modell der akseptordopanten kompenseres av protoner ved høye p(H2O) og lave temperaturer (under 600 °C), mens de ved de øvrige målebetingelsene kompenseres av oksygenvakanser som hydratiseres ved økende p(H2O) og synkende temperatur. Kurvetilpasningen av ledningsevnens p(H2O)- og temperaturavhengighet med antagelsen om den ovennevnte defektmodellen ga termodynamiske verdier for inkorporering av protoner i materialet, samt verdier for mobilitetsparametere. Tilsvarende parametere ble også funnet for oksygenvakanser og elektronhull. Det ble foreslått at materialets evne til å lede protoner selv ved 1200 °C primært kan tilskrives en høy protonmobilitet, fremfor en høy konsentrasjon av protoner.