Arbeitsgruppe Feldhoff

Die Arbeitsgruppe Feldhoff befasst sich mit Physikalischer Materialchemie. Wissensbasierte Ansätze umfassen gezielte Synthesen und funktionelle Charakterisierungen von Materialien sowie eine umfassende Aufklärung ihrer Realstruktur auf unterschiedlichen Hierarchieebenen bis hinab zur Sub-Nanometerskala.

FORSCHUNGSEXPERTISE: THERMO-IONO-ELEKTRONISCHE MATERIALIEN UND MIKROSTRUKTURANALYTIK

Unter dem Dach der thermo-iono-elektronischen (TIE) Materialien können alle Festkörper zusammengefasst werden, die Entropie, Ionen oder Elektronen leiten, wenn sie entsprechenden thermodynamischen Potentialgradienten ausgesetzt werden. Entsprechend strömen Wärme, elektrochemische Energie und elektrische Energie durch diese Materialien. Damit lassen sich Energiekonversion, Energiespeicherung oder Stofftrennung realisieren.

Zur Realstrukturaufklärung der TIE-Materialien werden Röntgendiffraktometrie (XRD) mit Strukturverfeinerungsmethoden (Pawley, Rietveld) sowie Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-REM) und Feldemissions-Transmissionselektronenmikroskopie (FE-TEM) herangezogen.

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bezieht ihre Leistungsfähigkeit aus der Kombination einer ganzen Reihe fortgeschrittener physikalisch-chemischer Charakterisierungsmethoden. Im reziproken Raum stehen Feinbereichselektronenbeugung (SAED) und konvergente Elektronenbeugung (CBED) zur Verfügung. In der Hochauflösungs-TEM (HRTEM) dient der Phasenkontrast zur atomar-auflösenden Direktabbildung von Kristallgittern.

Die Raster-TEM (STEM) macht im Weitwinkeldunkelfeld (HAADF) ordnungszahlabhängige Z-Kontrastabbildungen möglich. Für die lokale Elementanalytik werden neben energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS) auch energie-gefilterte TEM (EFTEM) und Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) herangezogen

THERMOELEKTRISCHES ENERGY HARVESTING

Thermoelektrischer drei-phasiger 2D-Nanokomposit | Transmissionselektronenmikroskopaufnahme

Thermoelektrisches Energy Harvesting oder „Energieernten“ beruht auf der thermischen Induktion eines elektrischen Stromes (Seebeck-Effekt). Es stellt sich die Aufgabe, solche Materialien aufzufinden und weiterzuentwickeln, in denen möglichst wenig Entropie fließt, die nicht an einen Ladungsstrom koppelt, der Ladungsstrom aber zugleich viel Entropie mit sich führt.

Ein vielversprechender Ansatz besteht in der Nanostrukturierung von Materialien, um die freie Ausbreitung elastischer Schallwellen im Material  – welche Hauptträger des nicht an einen Ladungsstrom koppelnden Entropiestroms sind – durch Streuung an den Nanostrukturen zu verringern, während der Transport von Elektronen möglichst unbehindert bleibt.

Wir erforschen oxid-basierte thermoelektrische Nanomaterialien, welche hohe Leistungsfaktoren sowie Gütefaktoren aufweisen und sich durch Hochtemperaturstabilität auszeichnen.

Die Materialien werden synthetisiert, mikrostrukturell sowie funktionell charakterisiert und für den Einsatz in Prototyp-Thermogeneratoren ertüchtig.

GEMISCHTLEITENDE OXIDE FÜR GASTRANSPORTMEMBRANEN

Gemischtleitendes Oxid im kalzinierten Zustand | Rasterelektronenmikroskopaufnahme

Wird ein gemischt ionisch-elektronischer Leiter in einen Gradienten des chemischen Potentials der im Festkörper beweglichen ionischen Komponente gebracht, kann er für diese Ionen selektiv permeabel – also durchdringbar – werden.

Thermisch aktiviert kann die ambipolare Diffusion von Ionen und Elektronen im Festkörper beispielsweise zur Realisierung von Membranen zur Gastrennung herangezogen werden ohne dass dafür äußere Elektroden benötigt werden.

Auf der Basis von komplexen Oxiden gilt unser Interesse insbesondere der Ertüchtigung dieser Materialien als Membranen für die Abtrennung von Sauerstoff oder Wasserstoff aus Gasgemischen. Dabei ist neben einem hohen Permeationsfluss eine gute Phasenstabilität sowohl unter oxidierenden als auch reduzierenden Bedingungen erfordert. Oftmals tritt die Erfordernis einer hohen chemischen Stabilität im Kontakt mit reaktiven Gasen hinzu.


ABSCHLUSSARBEITEN UND JOBS

Thermogenerator auf flexiblem Substrat

In den Forschungsthemen der Arbeitsgruppe können laufend Forschungspraktika und Abschlussarbeiten wie Bachelor- oder Masterarbeiten durchgeführt werden.

  • Aktuell sollen im Rahmen einer HiWi-Stelle Simulationen von Thermogeneratoren mit der  Finite-Element-Methode (FEM) durchgeführt werden; optional kann sich eine experimentelle Masterarbeit anschließen: HiWi-Stelle FEM-Simulationen

Interessenten wenden sich bitte an Prof. Feldhoff.


FORSCHUNGSGERÄTE

Die Geräte im Forschungsbereich Nanostrukturierte Funktionale Schichten und Materialien werden von Mitarbeitenden der Arbeitsgruppen betreut und gruppenübergreifend verwendet.

Auf Anfrage können Mitglieder anderer Arbeitsgruppen in die Gerätenutzung eingewiesen werden oder wir untersuchen Ihre Proben.

Geräte der Arbeitsgruppe Feldhoff

  • Elektronenmikroskope (Gerätezentrum)

    In der Arbeitsgruppe werden zwei hochauflösende Elektronenmikroskope (FE-REM und FE-TEM) mit Feldemissions-Elektronenquellen und Elementanalytik betrieben. Das Labor für Elektronenmikroskopie ist ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) anerkanntes Gerätezentrum: Nutzungsordnung

    Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-REM)

    JEOL JSM-6700F / Geräteinfo

    • Sekundärelektronendetektor
    • Semi-in-lens-Detektor für kleine Arbeitsabstände
    • Rückstreuelektronendetektor (BSE)
    • Energiedispersives Röntgenspektrometer (EDXS), Oxford Instruments INCA 300, Detektion ab Be (Z = 4)
    • Auflösungsvermögen: 1,0 nm @ 15kV; 2,2 nm @ 1kV
    • Beschleunigungsspannung: 0,5 - 30 kV

    Feldemissions Transmissionselektronenmikroskop (FE-TEM)

    JEOL JEM-2100F / Geräteinfo

    • Transmissionselektronenmikroskopie (BF, DF, HRTEM)
    • Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM mit BF, HAADF)
    • Elektronenbeugung (SAED, CBED, auch energiegefiltert)
    • Energiegefilterte Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM)
    • Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS, ELNES), Gatan Imaging Filter, GIF 2001, mit 1k-CCD-Kamera
    • Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS), Oxford Instruments INCA 200, Detektion ab Be (Z = 4)
    • Schottky-Feldemitter (ZrO2/W(100))
    • Beschleunigungsspannung: 200 kV (160 kV)
    • Punktauflösung: ≤ 0,19 nm  (Cs = 0,5 mm)
    • Gitterauflösung für STEM: ≤ 0,2 nm
    • Energieauflösung für EELS:  ≤ 0,7 eV
  • Röntgendiffraktometer

    Röntgendiffraktometer (XRD)

    Bruker D8 Advance / Geräteinfo

    • Röntgenbeugung mit Cu-Kα1,2-Strahlung
    • 1D Lynxeye Detektor (Si-Streifen)
    • automatisch öffnender Divergenz- und Empfängerschlitz
    • 9-fach Probenwechsler
    • Probenrotation

     mögliche Messanordnungen:

    • Bragg-Brentano-Geometrie
    • streifender Einfall
    • Transmission

     

     In-Situ-Messzelle Anton Paar 1200N

    • Temperaturbereich: RT-1200 °C
    • Umgebungsheizung
    • frei programmierbare Ofenprofile
    • Messung in definierter Gasatmosphäre (Luft, N2, Ar, CO2) oder im Vakuum
  • Thermoelektrische Charakterisierung

    NorECs ProboStat A

    MESSGRÖSSEN

    • Seebeck Koeffizient einzelner Materialien an Luft
    • elektrische Spannung-Strom-Kennlinien von thermoelektrischen Generatoren

     

    CHARAKTERISTIKA

    • Messaufbau mit Platin-Elektroden
    • Hochtemperaturofen (Raumtemperatur bis 1000°C) mit programmierbarer RS-232 Steuereinheit
    • zwei Keithley 2100 6/12 Digital-Multimeter
    • Sinusgenerator
    • automatische Erfassung der Messdaten mit Lab View Software

    ThermoGen Vacuum Setup

    MESSGRÖSSEN

    • Seebeck Koeffizient einzelner Materialien an Luft, im Vakuum oder unter Inertgas
    • elektrische Spannung-Strom-Kennlinien von thermoelektrischen Generatoren

     

    CHARAKTERISTIKA

    • Messaufbau mit Widerstandsheizer (Raumtemperatur bis 600°C)
    • Peltier-Aktivkühler
    • zwei Keithley 2100 6/12 Digital-Multimeter
    • Sinusgenerator
    • automatische Erfassung der Messdaten mit Lab View Software

    Elektrische Leitfähigkeitsmessung

    MESSGRÖSSEN

    • isotherme elektrische Leitfähigkeit einzelner Materialien an Luft

     

    CHARAKTERISTIKA

    • Messaufbau mit Platinelektroden
    • Drei-Zonen-Hochtemperaturofen (Raumtemperatur bis 1000°C) mit programmierbarer RS-232 Steuereinheit
    • zwei Keithley 2100 6/12 Digital-Multimeter
    • Sinusgenerator
    • automatische Erfassung der Messdaten mit Lab View Software
weitere Forschungsgeräte

Persönliche Homepage von Prof. Dr. Armin Feldhoff