Platzwechsel, Fehlanpassung und Relaxation in festen Ionenleitern:
Leitfähigkeitsspektren und Modelle

Ziel des Teilprojekts ist es, auf der Grundlage experimenteller Leitfähigkeitsspektren Modelle für die Gesetzmäßigkeiten zu entwickeln, nach denen die korrelierten Sprungbewegungen der Ionen in ionischen Materialien mit ungeordneten Strukturen ablaufen.

Dazu wurden im ersten Jahr der Förderung (2000) zunächst einige der experimentellen Ziele erreicht, die wir uns im Antrag gesetzt hatten:

• Im Temperaturintervall von 120 K bis 267 K wurde bei Frequenzen von 0.001 Hz bis 1 MHz die komplexe elektrische Leitfähigkeit des festen Ionenleiters b-Silberiodid bestimmt.
• Die elektrische Leitfähigkeit des festen Ionenleiters Rubidiumsilberiodid wurde bei Temperaturen um 100 K im Millimeterwellengebiet zwischen 75 GHz und 110 GHz und im Impedanzgebiet zwischen 10 Hz und 1 MHz vermessen.
• Im Falle des a-Rubidiumsilberiodids ist es uns gelungen, den Ionen- Hall-Effekt nachzuweisen. Ebenso wie beim a-Silberiodid finden wir, dass die so bestimmte Hall-Beweglichkeit der Driftbeweglichkeit gleich ist, die man unter der Annahme erhält, dass alle Silberionen beweglich sind.

Die Modellentwicklung hat im ersten Jahr der Förderung wesentliche Fortschritte gemacht. Auf der Grundlage experimenteller Spektren und unter Verwendung einer atomistischen Modellvorstellung konnten die beiden Basisgleichungen unseres "Concept of Mismatch and Relaxation (CMR)" so formuliert werden, dass die folgenden Beobachtungen nunmehr zwanglos erklärt werden können:

• Die universelle Form des niederfrequenten Teils der Leitfähigkeitsdispersion einschließlich Parametrisierung und Verständnis der in diesem Bereich auftretenden Besonderheiten bei Mischalkaligläsern und bei Variation der Anzahldichte der beweglichen Ionen.
• Der bei tiefen Temperaturen bzw. hohen Frequenzen auftretende Übergang in ein Verhalten, bei dem die Leitfähigkeit proportional zur Frequenz ansteigt und bei fester Frequenz kaum noch von der Temperatur abhängt (Nearly Constant Loss Behavior).
• Das Temperatur-Zeit-Superpositionsprinzip.
• Die nicht Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit der Gleichstromleitfähigkeit in fragilen glasbildenden Schmelzen.
• Die Frequenzabhängigkeit der Leitfähigkeit für den Fall wechselwirkender Dipole und damit das als "New Universality" bezeichnete Verhalten zahlreicher Kristalle und Gläser.

Drittmittelgeber:

DFG

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. Radha D. Banhatti, Sabine Brückner, Prof. Dr. Klaus Funke, Dr. Burkhard Heimann, Heinz Kreiterling, Christoph Krieger, Dr. Andrea Mandanici, Inga Niederhausen, Igor Ross, Dr. David Sidebottom, Dr. Markus Vehring, HD Dr. Cornelia Cramer, Prof. Dr. Andreas Heuer, Prof. Dr. Malcolm Ingram, Dr. Bernhard Roling, PD Dr. Dirk Wilmer

Veröffentlichungen:

Funke, K., D. Wilmer: Concept of Mismatch and Relaxation Derived from Conductivity Spectra of Solid Electrolytes, Solid State Ionics 136-137, 1329, 2000

Funke, K., B. Heimann, M. Vering, D. Wilmer: Concept of Mismatch and Relaxation Explains DC and AC Conductivities of Fragile Glass-Forming Ionic Melts, Elch. Soc. Proc. 99-41, 301, 2000

Sidebottom, D.L., B. Roling, K. Funke: Ionic Conduction in Solids: Comparing Conductivity and Modulus Representations with Regard to Scaling Properties, Phys. Rev. B 63, 024301, 2000

Funke, K., C. Cramer, B. Roling: Dynamics of Mobile Ions in Glass - What do Conductivity Spectra Tell Us ?, Glastech. Ber. Glass Sci. Technol. 73, 244, 2000

Stuhrmann, C.H.J., H. Kreiterling, K. Funke: Ionic Hall Effect Measured in Rubidium Silver Iodide, Phys. Chem. Chem. Phys. 3, 2557, 2001

Funke, K., B. Heimann, M. Vering, D. Wilmer: Concept of Mismatch and Relaxation Explains DC and AC Conductivities of Fragile Glass-Forming Ionic Melts, J. Electrochem. Soc. 148, A395, 2001

Funke, K., C. Cramer: Amorphous Materials, Frequency-Dependent Ionic Conductivity, Encyclopedia of Materials: Science and Technology, Eds. K.H.J. Buschow, R.W. Cahn, M.C. Flemings, B. Ilschner, E.J. Kramer, S. Mahajan, Elsevier, Amsterdam, 2001 (in press)

Funke, K., D. Wilmer: Ion Dynamics in Solid Electrolytes Described by the Concept of Mismatch and Relaxation, Cryst. Latt. Def. Amorph. Mater. 2001 (in press)