MEF 1000 Materialer og energi Kap 9 Fysikalske

MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 9 Fysikalske egenskaper og funksjonelle materialer Optiske Magnetiske Dielektriske Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo Elektriske Andre Termodynamiske Kinetiske Mekaniske truls. norby@kjemi. uio. no MEF 1000 – Materialer og energi Foto: Sensonor/Infineon (http: //www. sensonor. com/)

Optiske egenskaper; Lys • Lys er elektromagnetisk stråling • Energi • Farge, frekvens, bølgelengde • Polarisert lys: Elektromagnetisk bølgevektor har dominant retning MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3 FY og W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Refleksjon, absorpsjon, transmisjon, brytning • IR + I T + I A = I 0 • R+T+A=1 R = IR/I 0 reflektivitet, T = IT/I 0 transmittivitet A = IA/I 0 absorbtivitet • Brytningsindeks n: n = c/v = r Snell: sinr / sini = vi / vr (= n hvis i = vakuum). Fermat: Lyset tar raskeste vei • Dobbeltbrytning – forskjellig lyshastighet i forskjellige retninger • Dispersjon, aberasjon – Kortbølget lys har høyere n MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Emisjon og absorpsjon – elektroniske overganger • Gasser – Atomer • He, Ne, Xe, Ar • Na, K, Ca, Sr, Ba – Enkle molekyler • H 2 – Skarpe topper/linjer i spektre Helium Emisjon Klor Absorpsjon MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2 FY og M. A. White: Properties of Materials.

Emisjon og absorpsjon – elektroniske overganger, forts. • Større molekyler og kondenserte faser – Tettere energitilstander – Reabsorbsjon og –emisjon – Bredere topper i spektre • Sorte legemer – absorberer alt – emiterer over stort spektrum • Metaller – absorberer alt i løpet av 100 nm – reemiteres med samme bølgelengde • Ioniske stoffer Helium – Stor båndgap: Transparente – Lite båndgap: Fargede Unntak: ITO Klor Hvitt lys fra fast stoff (sort legeme) ved høy temperatur MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2 FY og M. A. White: Properties of Materials.

Emisjon og absorpsjon – skjematisk oppsummering MEF 1000 – Materialer og energi Figur: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2 FY

Farge på d-metallioner; oktaedrisk ligandsymmetri • • d-elektronene i utgangspunktet samme energi Ligander påvirker d-orbitalene forskjellig (elektrostatiske krefter) d-orbitalenes energier splittes, for eksempel t 2 g og eg Eksempel: [Cu(H 2 O)6]2+ – – Cu 2+ et et 3 d 9 -kation 9 d-elektroner: 6 i t 2 g , 3 i eg 1 ledig plass i eg Et t 2 g-elektron kan eksiteres ved absorpsjon av energi fra lys. Komplekset blir blått! MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver & Atkins: Inorganic Chemistry, 3 rd ed.

d-metallioner; tetraedrisk ligandsymmetri Eksempel: [Cu(NH 3)4]2+ MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver & Atkins: Inorganic Chemistry, 3 rd ed.

d-metallioner som forurensninger gir ofte farge • Rent Al 2 O 3 er fargeløst – ”korund” • Cr 3+-ioner løst substitusjonelt – Defekt: Cr. Alx – O 2 - -ionene er ligander – Cr 3+ er et 3 d 3 -ion; farget – rødt, ”rubin” • Ladningsoverføring: Fe 2+ + Ti 4+ = Fe 3+ + Ti 3+ – Blå ”safir” MEF 1000 – Materialer og energi

Luminescens • Ikke-termisk (kald) emisjon – Eksitasjon ved stråling i eller utenfor synlig område • Rask deeksitasjon; fluorescens – Lysstoffrør • Langsom deeksitasjon; fosforescens – Selvlysende skilt – TV- og dataskjermer – Eksitasjon ved kjemisk reaksjonsenergi; kjemiluminescens – Eksitasjon ved biokjemisk reaksjonsenergi; bioluminescens • Lysende insekter; ildflue, sankthansorm • Dypvannsfisk – Energi: luciferin. Enzym: luciferase – Elektroluminescens • lysdioder MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2 FY, M. A. White: Properties of Materials og Forskning. no.

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation • Elektroner eksiteres i en krystall eller et gassvolum ved ekstern stimulus og energikilde • Faller ned i en metastabil tilstand • Samles opp over ”lang” tid • Lysbølge passerer frem og tilbake, med sølvspeil i planslipte ender. • Stimulerer ”ras” av metastabile elektroner, og koherent avgivelse av monokromatisk, polarisert lys • Lyset tas ut ved at ett av speilene er semitransparent MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Lasere MEF 1000 – Materialer og energi

Halvleder-laser • Spenning over udopet Ga. As, formidlet med n- og p-dopet Ga. As elektroder injiserer elektroner og hull over båndgapet. • Det passerende lyset stimulerer rekombinasjons -ras over båndgapet: Lys! • • • CD-spillere SPM osv… MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Laseren i CD-spillere MEF 1000 – Materialer og energi

Vibrasjonelle overganger • Atomære/molekylære vibrasjoner kan også absorbere lys, men ved lavere energier – For det meste IR; påvirker ikke synlig farge – Noe synlig rødt lys kan absorberes i noen tilfeller – Gjelder for eksempel hydrogenbindinger – derfor fremstår vann og is som svakt blått i tilstrekkelige tykkelser …men slike farger har ofte like mye med himmelen å gjøre…. . MEF 1000 – Materialer og energi

Spredning, interferens; diffraksjon • Lysbølger spres av atomer – Faste legemers kanter – Gjennomskinnelige stoffer • Interferens mellom spredte bølger – To eller flere regulært plasserte spalter – Andre regulært ordnede strukturer – Krystallgitter – (samme effekt som i røntgen-diffraksjon for strukturbestemmelser) • Store bølgelengder spres med høyere vinkel enn små MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2 FY og NORLEP

Flytende krystaller (Liquid crystals, LC) • Molekyler flyter, men er ordnet • Hvis polare/ladede kan de ordnes og/eller roteres med elektrisk felt • • • Kan påvirke gjennomgang av lys Spredning av lys Diffraksjon/fargesplitting • Anisotrope (flate, avlange) fargestoffer kan blandes inn; roterer med LC Farge slås ”av” og ”på” • MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M. A. White: Properties of Materials.

Moderne display-teknologier; LCD-skjerm og LCD-videoprosjektør MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: http: //www. Projector. People. com

Nye display-teknologier Digital Mirror Device (DMP) Micro Electro. Mechanical System (MEMS) MEF 1000 – Materialer og energi

Nye display-teknologier (DMD) MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: http: //www. Projector. People. com

Nye display-teknologier; Plasma-skjermer MEF 1000 – Materialer og energi

Magnetiske egenskaper • Mål for magnetisme: Flukstetthet (induksjon) B proporsjonal med feltstyrke H. • Bidrag fra vakuum og fra mediet (magnetisering M). kalles permeabilitet 0 er vakuumpermeabiliteten • • • magnetisk susceptibilitet definert som = M/H • Susceptibilitet og magnetisering kan være svakt negative (diamagnetisk), eller positive (paramagnetisk) Diamagnet, paramagnet og superleder i magnetisk felt. MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry 3 rd ed. M. A. White: Properties of Materials

Opphav til magnetisme – netto spinn Eksempel fra molekylorbitaler; O 2 (paramagnetisk) og CO (diamagnetisk) MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: P. Kofstad: Uorganisk kjemi og Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Opphav til magnetisme, forts. • Ingen netto spinn: Diamagnetisme – I systemer med fylte skall og i mange d -elektron komplekser med stor krystallfeltoppsplitting 0 – <0 – Frastøtes svakt av magnetfelt – Oppfattes som ikke-magnetiske • Netto spinn: Paramagnetisme – Ofte i systemer med delvis fylte skall og i mange d-elektron komplekser med liten krystallfeltoppsplitting 0 – > 0 (10 -5 – 10 -2) – Tiltrekkes av magnetfelt – Oppfattes som magnetiske – Netto spinn innen hvert atom, men uordnede i retning mellom atomene MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Ferromagnetisme • Metaller er i prinsippet paramagneter, men spinnene kan vinne energi ved å ordne seg i områder med parallelle spinn. Dette kalles ferromagnetisme. • I et magnetfelt vil spinnene få øket tendens til å rette seg etter feltet; områder med slik retning vokser på bekostning av de andre. • Magnetiseringen blir ved dette sterkere; øker med H, men effekten mettes når alt er parallellisert. • Ved fjerning av feltet vil magnetiseringen kunne vedvare og vi beholder et magnetfelt; hysterese. • Stor hysterese: Hardt magnetisk materiale; permanent magnet – Magneter, lagringsmedia • Liten hysterese: Bløtt magnetisk materiale; ikke-permanent magnet – Lese- og skrivehoder, transformatorkjerner MEF 1000 – Materialer og energi Figur: M. A. White: Properties of Materials og Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry.

Antiferromagnetisme og ferrimagnetisme • Hvis spinnene i en ferromagnet ordner seg, men antiparallelt slik at vi får null netto spinn, kalles materialet antiferromagnetisk. • Hvis materialet ordner seg antiferromagnetisk, men slik at vi ikke får null netto spinn kalles materialet ferrimagnetisk. MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Magnetisk datalagring • Bløte til hodet: – Permalloy – Fe, Ni. Fe, Co. Ni. Fe – Ferritter (MO*Fe 2 O 3) • Harde til mediet: – Ferritt (Fe 2 O 3) MEF 1000 – Materialer og energi Figur: http: //www. coe. waseda. ac. jp/osaka/C-e. html

Kraftige permanentmagneter • Harde ferromagnetiske materialer – Karbon-stål, Al. Ni. Co – Sm. Co 5, Sm 2 Co 17 – Nd 2 Fe 14 B • • Elektromotorer og –generatorer Sortering (mineraler, avfall…) Vitenskapelige/medisinske formål Levitasjon Husk forskjellen til elektromagneter • Vanlige • Superledende – Bløte kjernematerialer MEF 1000 – Materialer og energi Figur: Alstom

Andre magnetiske fenomener og egenskaper • Magnetostriksjon – Magnetfelt kan føre til elastisk deformasjon av ferromagnetiske materialer – Tilsvarer piezoelektrisitet (elektrostriksjon) – Derfor ”synger” transformatoren…! • Magnetooptiske egenskaper – Magnetfelt kan polarisere lys gjennom visse krystaller; Faraday-effekten • granater MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Argonne Natl Labs og T. H. Johansen et al. (http: //www. fys. uio. no/super/dend/)

Dielektriske egenskaper • Omhandler lokale elektriske forhold; polarisering (ikke elektrisk langtransport) Kapasitans = Ladning/spenning: C = Q/U enhet C/V Vakuum: C 0 = 0 A/d A= areal, d=avstand Medium annet enn vakuum: r = C/C 0, C = r. C 0 = r 0 A/d Høy C: Lagring av ladning, glatting av spenning Lav C: Isolator i databrikker MEF 1000 – Materialer og energi Figur: M. A. White: Properties of Materials.

Pyroelektrika og ferroelektrika • Paraelektriske dielektrika: Polarisering vs spenning er lineær, uten hysterese • Pyroelektrika: Permanente ladningsforskyvninger mulig under kritisk temperatur TC P vs E har hysterese Ferroelektrika: Polarisering vedvarer etter at elektrisk felt er fjernet (E=0) Antiferroelektrika: Polarisering forsvinner ved E=0 Bruk: Svært høye kapasitanser; mye brukt i kondensatorer, Ba. Ti. O 3 Ferroelektrika: Datalagring MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M. A. White: Properties of Materials.

Kondensatorer • • Dielektrika og ferroelektrika Brukes til – Lagring av ladning – Filter (AC/DC) MEF 1000 – Materialer og energi Fotos: Johanson Dielectrics, Air. Borne Electronics, Velleman, o. a.

Piezoelektrika • Elastisk deformasjon av en sentrosymmetrisk ionisk krystall fører ikke til netto polarisasjon eller elektrisk spenning over krystallen. • Elastisk deformasjon av en ikkesentrosymmetrisk ionisk krystall kan føre til netto polarisasjon og elektrisk spenning over krystallen: Piezoelektrisitet. – Eksempler: Si. O 2(kvarts), ferroelektrisk Ba. Ti. O 3 – Platespiller-stift, kollisjonssensor, dekktrykksensor, vekt, blinkende joggesko, lighter-tenner, osv. • Omvendt: Pålagt spenning fører til elastisk deformasjon: – Posisjonering, SPM, aktuatorer, ventiler, pumper, høyttalere, printere, motorer MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Allied Signal, Adaptronic, Sensonor

Elektriske egenskaper • Langtransport av ladning • Fra avsnitt om defekter: • Ohms lov: • Husk: – er konduktivitet eller spesifikk ledningsevne (materialegenskap) – G er konduktans eller ledningsevne (avhengig av ytre mål) • Måling av elektriske egenskaper MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Klassifikasjon av elektriske ledere • Isolatorer (=dielektrika) – Eg > 3 e. V – men temperaturavhengig • Halvledere – Intrinsikk likevekt – Donor-doping – Akseptor-doping • Metaller – Mobilitet minker med økende T • Superledere – =0 MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, 3 rd ed. og http: //acre. murdoch. edu. au/refiles/pv/text. html

Halvlederkomponenter p-n-overganger - dioder • • p-leder: elektronhull n-leder: elektroner • Ingen polarisering (=bias) – Bakgrunnsrekombinasjon • Positiv polarisering (=forward bias) – Strøm ved rekombinasjon på pn-overgangen • • Dioder – Likerettere – Elektromotorbeskyttelse Negativ polarisering – Ingen strøm pga. uttømming på p-n-overgangen MEF 1000 – Materialer og energi Figur: M. A. White: Properties of Materials.

Vanlig AC/DC strømforsyning: Typisk bruk av transformator, dioder (bro-likeretter) og kondensator; MEF 1000 – Materialer og energi Fra http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/hph. html

Transistorer pnp og npn Kollektor-base er stengt av en stor negativ polarisering Uten polarisering av emitter-base. Kollektor-base forblir stengt Med forover-polarisering av emitter-base: Basen oversvømmes av ”feil” ladningsbærer fra emitter. Ved tilstrekkelig polarisering (bias) blir kollektor-base ledende. Nå kan emitter-base moduleres, og vi får en tilsvarende modulasjon av kolektorbase-strømmen. Forsterkning Analog; forsterkere, regulatorer Digitale: Lager: Av-på vha. feedback Prosessor (addisjon/subtraksjon) MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering o. a.

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor • n-dopet Si som substrat • p-dopede brønner forbundet med tynne kanaler • Si. O 2 oksidert frem på overflaten • p-brønnene kontakteres (source, drain) • Si. O 2 -lag over kanalen kontakteres (gate) • Spenning på gate fyller eller tømmer kanalen for hull (lukker/åpner for strøm mellom source og drain) • Høy inngangsmotstand (gate) MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering, o. a.

Optoelektronikk – emitterende komponenter • Lysdioder; elektroluminescens • Halvleder-lasere MEF 1000 – Materialer og energi Fra http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/hph. html o. a.

Optoelektronikk – lysføsomme komponenter • Fotoresistorer – Cd. S, leder i mørke, isolator i lys • Fotodiode • Fototransistor MEF 1000 – Materialer og energi Fra http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/hph. html

Solceller • Mest brukt er silisium – krystallinsk – amorft • Andre halvledere kan også brukes – Krav: • Passende båndgap • God ledningsevne • Få defekter – Ge – Ti. O 2 MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: http: //acre. murdoch. edu. au/refiles/pv/text. html og http: //www. iowathinfilm. com/

Heike Kamerlingh Onnes Superledere • • • Resistivitet blir 0 for noen materialer (mest metaller) under TC Ekskluderer magnetfelt (Meissner-effekten) TC for det meste < 20 K Skyldes samvirkning av elektroner; unngår kollisjon med gittersvingninger og defekter Bryter sammen for høye strømstyrker og magnetfelt MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering og Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, 3 rd ed.

Høytemperatur superledere • 1986: Müller & Bednorz oppdager superledning i kompleks perovskitt (TC = 30 K!) • 1987: TC > 77 K i YBa 2 Cu 3 O 7 (” 123”, ”YBCO”) • TC = 135 K i Hg. Ba 2 Cu 3 O 8+d • 2001: Mg. B 2; TC = 39 K MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, M. A. White: Properties of Materials, o. a.

Superledere –magnetooptisk avbildning av magnetfeltet MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Argonne Natl Labs og T. H. Johansen et al. (http: //www. fys. uio. no/super/dend/)

Bruk av superledere • • Strømkabler Magneter (elektromagneter) – Medisinsk bruk; CT/NMR • • Transformatorer Levitasjon MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: http: //www. Fysikknett. no og Hitachi Med. Instr.

Magnetoresistans • Resistansen påvirkes av magnetfelt – Giant Magneto-Resistance (GMR) – Colossal Magneto-Resistance (CMR) – For eksempel La. Mn. O 3 -baserte perovskitter • Brukes i moderne lesehoder for magnetisk lagring (harddisker) MEF 1000 – Materialer og energi Figur: J. -G. Zhu, Materials Today, Jul/Aug 2003, 2231.

Faste ioneledere • Mange ”faste” ioneledere har adsorbert eller absorbert vann eller andre flytende faser. Ionetransport delvis ved hjelp av fluid-dynamikk • Egentlige faste ioneledere: Transport av punktdefekter ved selvdiffusjon MEF 1000 – Materialer og energi Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Faste ioneledere Ledningsevne, tykkelse og tap • • U 0 = 1 V Vi ønsker P = 1 W/cm 2 dvs. i = 1 A/cm 2 • Areal-spesifikk motstand: Rtot = U/i = 1 ohm*cm 2 • Hvis Relektrolytt er 0. 1 ohm*cm 2 har vi 10% tap. • Tykkelse Relektrolytt = elektrolytt*d elektrolytt/d > 10 S/cm 2 for <10% tap i elektrolytten ved 1 W/cm 2 • • Eks: elektrolytt = 0. 1 S/cm, d < 0. 01 cm = 0. 1 mm = 100 m Eks: elektrolytt = 0. 001 S/cm, d < 0. 0001 cm = 0. 001 mm = 1 m MEF 1000 – Materialer og energi

Lavtemperatur, faste elektrolytter Protonledende polymerer • • Proton Exchange Membranes (PEM) Nafion® ledende; bra, men dyrt Alternativer forsøkes utviklet, for eksempel PEEK Fordeler ved polymerelektrolytter: – Høy ledningsevne – Mekanisk og kjemisk robuste • Ulemper: – – t < 100°C Transport av H 3 O+ ”Drag” av 5 -6 H 2 O Løselighet/diffusjon av brenselmolekyler MEF 1000 – Materialer og energi Figur: S. J. Paddison, Ann. Rev. Mater. Res. , 33 (2003) 289.

Li-ion-ledende polymerer • Mye felles med protonledende polymerer • Bruk i batterier • Høyere pakningstetthet enn med flytende elektrolytter (dagens Li-ion teknologi) MEF 1000 – Materialer og energi Figur: http: //www. ion-energy. com/ier/6

Begrenset temperaturområde for polymerelektrolytter og andre ”faste” protonledere • Ødelegges irreversibelt ved overoppheting/tap av vann • Trenger aktiv katalysator – Pt • Utsatt for katalysator-forgiftning – CO, H 2 S, o. a. • Lav verdi på spillvarme • Ønskelig å utvikle egnede protonledere for mellomtemperatur-området (100 -500°C) MEF 1000 – Materialer og energi

Høytemperatur-polymer-elektrolytter • • • Erstatte vann med annet protonakseptor/donor-system; imidazol Nitrogen som proton-akseptor Stabile til ca. 200°C Vannfrie Lavere ledningsevne enn for eksempel Nafion N N NH NH NH N N NH MEF 1000 – Materialer og energi NH N N NH NH N NH

Egentlige faste protonledere • Krever hopp av protoniske defekter • Protonene er sterkt bundet • Krever stor vertsgitter-dynamikk å gi dem nok energi til å hoppe • Cs. HSO 4, Cs. H 2 PO 4 – Brukbare ved 150 -250°C – Løselige i vann under 100°C – Smelter eller dekomponerer ved for høy temperatur MEF 1000 – Materialer og energi Figur: T. Norby, Nature, 2001.

Høytemperatur uorganiske protonledere • Oksider akseptordoping kompenseres ved løsning av protoner fra vanndamp: – Eksempel: Y-dopet Ba. Ce. O 3 – Mister protonene og får i stedet oksygenvakans-ledningsevne ved høy temperatur; reaksjonen går til venstre. MEF 1000 – Materialer og energi

Oksygenionledere – Nernst-lampen • Walther H. Nernst oppdaget på slutten av 1800 -tallet at Y-dopet Zr. O 2 ledet strøm ved høy temperatur • Ble brukt i Nernst-lampen – Må ha forvarmer – Tåler luft – Prinsippet for oksygenioneledning ved oksygenvakanser ble forstått først senere – Dominerte før Edisons glødelamper vant frem MEF 1000 – Materialer og energi Foto og lenker: http: //www. nernst. de

Y-stabilisert Zr. O 2 klassisk oksygenionleder – dominerende i utviklingen av fastoksidbrenselceller (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Tre polymorfer: Monoklin, Tetragonal, Kubisk (fluorittstruktur) De mer symmetriske (kubisk, tetragonal) favoriseres av høy temperatur og av oksygenvakanser Ca eller Y tidlig brukt som akseptordopanter som kompenseres av oksygenvakanser, gir kubisk eller tetragonal struktur, og høy ionisk ledningsevne ”Tetragonal zirconia polycrystals” (TZP) 3– 6 mol% Y 2 O 3 bare stabil som keram med submikron partikkelstørrelse. Metastabil: Transformeres til monoklin ved mekanisk og annen påvirkning; ”Transformation toughened”. ”Fully stabilised zirconia” (FSZ), ”yttria stabilized zirconia” (YSZ) 8 -12 mol% Y 2 O 3. Kubisk form med høyest ioneledningsevne MEF 1000 – Materialer og energi Figur: ACERS: Phase diagrams for ceramists

Sc-stabilisert Zr. O 2 • Ledningsevnen for YSZ synker raskere med synkende temperatur enn forventet • Ledningsevnen går gjennom maksimum som funksjon av konsentrasjonen av vakanser (og akseptordopanter) • • • Vakans-vakans eller vakansakseptor-interaksjon? Ordning? Strukturendring? • Sc-doping bedre enn Y-doping! – Bedre tilpasning til Zr. O 2 -gitteret – Mindre binding av vakansene MEF 1000 – Materialer og energi Figur: P. G. Bruce: Solid State Electrochemistry

Andre oksygenionledere • Fluoritter: -Bi 2 O 3 (vakanser uten doping) Sm- eller Gd-dopet Ce. O 2 • Perovskitter: Ba. In. O 2. 5 (vakanser uten doping) Al-dopet Ca. Ti. O 3 Sr- og Mg-dopet La. Ga. O 3 (LSGM) • Andre: – La 10 Ge 6 O 27 – La 2 Mo 2 O 9 MEF 1000 – Materialer og energi Figur: P. G. Bruce: Solid State Electrochemistry

Blandet ionisk og elektronisk ledning • Viktig for effektiv omsetning av nøytrale species, ioner og elektroner i elektrokjemiske prosesser – Batterier, eks. katode i alkalisk Zn-Mn. O 2 -batteri. Mn. O 2 leder H+ og e- – Brenselceller, eks. katode i SOFC (eksempler til høyre). (La. Sr)(Mn, Fe, Co)O 3 leder O 2 - og e- – Katalysatorer Muliggjør transport av elektroner og ioner i og på materialet – Gasseparasjonsmembraner Oksygen eller hydrogen passerer membranen som en strøm av ioner og elektroner – Også viktig i korrosjon Oksygen passerer oksidsjiktet som en strøm av oksidioner og elektroner MEF 1000 – Materialer og energi

Blandede ledere i batterier og akkumulatorer; Interkalasjonsmaterialer • Elektrodematerialer i batterier og akkumulatorer er ofte – Blandede ledere – Interkalasjonsmaterialer • Viktige eksempler: – Mn. O 2; interkalasjon av protoner (tradisjonelle ”tørr”-batterier og alkaliske batterier) eller Li-ioner (Li -ion-akkumulatorer) – C (grafitt); interkalasjon av Li – Ni. OOH; interkalasjon av protoner i Ni-metallhydrid-akkumulatorer – La. Ni 5; løsning av H i Nimetallhydrid-akkumulatorer MEF 1000 – Materialer og energi Figur: A. M. Christie, St. Andrews

O 2 d Oad- Blandede ledere i brenselcelle-elektroder cathode d- Oad (2 -d)e- electrolyte O 2 O 2 O • cathode 2 e - Eksemplene viser mekanismer for katodereaksjonen electrolyte O 2 med forskjellige kombinasjoner av elektrolytt- og elektrodeegenskaper: Rene ledere: Au+YSZ Sølv som katode: Ag+YSZ Ce. O 2 som elektrolytt: Au+Ce. O 2 Blandet leder katode: (La. Sr)(Mn, Fe, Co)O 3+YSZ Tilfellet med rene ledere gir bare ett reaksjonspunkt (3 fasegrensen), mens de tre andre gir større flater der reaksjonen kan skje. MEF 1000 – Materialer og energi O 2 Oad cathode Oad 2 e- O 2 - electrolyte O 2 - 2 ecathode O 2 Figur: J. Fleig (MPI, Stuttgart) electrolyte

Blandede ledere i gasseparasjonsmembraner Eksempler på materialer: Blandet oksygenion-elektronledning: Sr. Fe. O 2. 5 La 0. 9 Sr 0. 1 Fe. O 3 -y O 2 - O 2+N 2 2 e- N 2 La 2 Ni. O 4+y (Ag) Blandet proton-elektronledning H+ H 2 Sr. Ce 0. 95 Yb 0. 05 O 3 e- (Pd) MEF 1000 – Materialer og energi Figur: Holt, Norby, Glenne, Ionics, 5 (1999) 434.

Termodynamikk; energilagring • Varme – ”Phase Change Materials” (PCM) – Varmeopptak/-avgivelse ved smelting/frysing • Eksempel: Na 2 SO 4*10 H 2 O • Kjemisk energi – Materialer som brensel • Batterier, akkumulatorer; interkalasjonsforbindelser • Aluminium, magnesium, C • Brenselslagring; hydrogenlagring – absorpsjon og • Metaller; YHx, Pd. Hx • Legeringer, intermetalliske forbindelser; La. Ni 5 H 6, Fe. Ti. Hx – adsorpsjon • Mikroporøse materialer • Nanoskopisk karbon; rør, fibre, ”horn” MEF 1000 – Materialer og energi Figur: Harris et al. , Fuel Cell Review 1(2004)17

Hydrogenlagringsmaterialer MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Harris et al. , Fuel Cell Review 1(2004)17, Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Mikroporøse og nanoskopiske hydrogenlagringsmaterialer Sumio Iijima MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Harris et al. , Fuel Cell Review 1(2004)17, Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, o. a.

Kinetikk og katalyse • Katalysatorer – Øker hastigheten (nedsetter aktiveringsenergien) på en eller flere kjemiske reaksjoner, men tar ikke del (brukes ikke opp) – Tar del i delreaksjoner • Fast katalysator; Heterogen katalyse – Hastighet • Mikrostruktur, overflate – Selektivitet • Overflatekjemi, transportegenskaper, defektkjemi • Svært viktig i kjemisk industri, oljeog gassindustri, energiomsetning, avgassrensing, husholdning, osv………. . MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Mikroporøse materialer • Zeolitter; gode katalysatorer – silikater med åpne strukturer – Kanaler av forskjellig, veldefinert diameter • God sterisk selektivitet (størrelse) – Meget stor effektiv overflate inne i krystallene – Veldefinert overflatekjemi – Uendelig mange variasjoner i struktur og sammensetning – Mange er syntetisert ved Ui. O (Lillerud et al. ) og bærer navn etter Ui. O. MEF 1000 – Materialer og energi Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Funksjonelle mekaniske egenskaper; hukommelsesmetall • Tidligere: Piezoelektriske og magnetostriktive materialer • Hukommelsesmetall – To polymorfe strukturer av en Ni-Tilegering (Nitinol) • Høy temperatur: Symmetrisk austenittisk • Lav temperatur: Asymmetrisk martensittisk – Deformasjon ved lav temperatur av den myke martensittiske strukturen ved tvillingdannelse i flere mulige retninger – Oppvarming; overgang til austenittisk; bare én mulighet; opprinnelig form gjeninntas. – • Eksempel på bruk: Ventiler, utblokkere o. a. i kroppen, oljeinstallasjoner, m. m. som utvides til normal størrelse etter installasjon. MEF 1000 – Materialer og energi Figur: M. A. White: Properties of Materials.

En slags oppsummering • Antallet fenomener og ”egenskaper” er stort • Bare fantasien setter grenser…? • Uendelig mange stoffer og materialer igjen å utforske og kanskje ”oppdage” • Vi kommer tilbake til mange av de funksjonelle egenskapene når vi skal se på energikonvertering i senere kapittel • MEF 1000 – Materialer og energi Vi har ikke dekket alt denne gangen…. – Overflateteknologi – Kolloider – Medisinske materialer, Biomaterialer, biomimetiske materialer – …… Figur: http: //www. Fysikknett. no