Fachbereich 12 - Chemie und Pharmazie
Institut für Physikalische Chemie
Prof. Dr. K. Funke

Entwicklung von Modellen zur Ionendynamik in Kristallen, Gläsern und Schmelzen

Ziel dieses Projekts ist es, auf der Grundlage experimenteller Leitfähigkeits-Spektren Modelle für die Gesetzmäßigkeiten zu entwickeln, nach denen die korrelierten Platzwechsel-Bewegungen der Ionen in ionischen Materialien mit ungeordneten Strukturen ablaufen.

Im Berichtszeitraum konnte das Konzept der Fehlanpassung und Relaxation (Concept of Mismatch and Relaxation, CMR) sehr erfolgreich weiterentwickelt werden. Es gelang insbesondere, die zeitliche Entwicklung der Ionendynamik in zwei gekoppelten Differentialgleichungen so zu beschreiben, dass sich einerseits eine verblüffende Übereinstimmung mit den experimentellen Spektren ergibt und andererseits eine anschauliche Interpretation der in den Gleichungen gemachten Aussagen möglich ist. Dabei wurden insbesondere die folgenden Ziele erreicht.

1. Die im Impedanzgebiet unterhalb von 10 MHz vorliegenden Leitfähigkeitsspektren, die eine besonders hohe experimentelle Genauigkeit aufweisen, werden mit dem CMR präziser reproduziert als mit jedem anderen Modell.
2. Der mit steigender Frequenz beobachtete Übergang in ein Verhalten, bei dem die Leitfähigkeit proportional zur Frequenz ansteigt und bei fester Frequenz kaum noch von der Temperatur abhängt, wird richtig wiedergegeben.
3. Im Millimeter- und Submillimeterwellengebiet gibt es ein thermisch aktiviertes Hochfrequenzplateau der Leitfähigkeit, dessen Wert die initiale Abbaurate elektrischer Felder bestimmt. Auch hier stimmen Experiment und Modell überein.
4. Die nicht Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit der Gleichstromleitfähigkeit fragiler ionischer Schmelzen wird richtig beschrieben und sinnvoll erklärt.
5. Das bei Temperaturen um und unter 100 K häufig beobachtete "Nearly Constant Loss" Verhalten wird auf lokale Bewegungen wechselwirkender Ionen zurückgeführt und erklärt. Ein entsprechendes Verhalten ist in der Tieftemperaturphase von Rubidiumsilberiodid experimentell nachgewiesen worden.
6. Das Niederfrequenzverhalten des Imaginärteils der Leitfähigkeit, d.h. des Realteils der Dielektrizitätsfunktion, wird richtig beschrieben. Der endliche Grenzwert der statischen Dielektrizitätskonstante wird dabei reproduziert. Dies wird durch eine physikalisch sinnvolle Modifikation des CMR erreicht, die mit der Einführung einer dritten Differentialgleichung gelingt.

In seiner gegenwärtigen Form wird das Modell als MIGRATION Concept bezeichnet, wobei das Akronym die folgende Bedeutung hat: MIsmatch Generated Relaxation for the Accommodation and Transport of IONs.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 458), Zuschüsse: Fonds der Chemischen Industrie

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. R.D. Banhatti, Dr. S. Brückner, HD Dr. C. Cramer, Prof. Dr. K. Funke, Dr. B. Heimann, C. Krieger, Dr. A. Mandanici., Dr. C. Martiny, PD Dr. B. Roling, Dr. I. Ross, Dr. M. Vering, HD Dr. D. Wilmer

Veröffentlichungen:

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

Funke, K., D. Wilmer : Ion Dynamics in Solid Electrolytes Described by the Concept of Mismatch and Relaxation, Rad. Effects and Defects in Solids 155, 387, 2001

Funke, K., S. Brückner, C. Cramer, D. Wilmer : Dynamics of Mobile Ions in Solid Electrolytes - Conductivity Spectra and Concept of Mismatch and Relaxation, J. Non-Cryst. Solids 307-310, 921, 2002

Funke, K., R.D. Banhatti, C. Cramer, D. Wilmer : Dynamics of Mobile Ions in Crystals, Glasses and Melts, Described by the Concept of Mismatch and Relaxation, Solid State Ionics 154-155, 65, 2002

Roling, B., K. Funke : Conductivity Spectra of Ion Conducting Materials: On the Physical Meaning of Different Scaling Approaches and of the BNN Relation, Recent Res. Devel. Non-Crystalline Solids 2, 299, 2002

Funke, K., R.D. Banhatti, S. Brückner, C. Cramer, C. Krieger, A. Mandanici, C. Martiny, I. Ross : Ionic Motion in Materials with Disordered Structures - Conductivity Spectra and the Concept of Mismatch and Relaxation, Phys.Chem.Chem.Phys. 4, 3155, 2002

Funke, K., R.D. Banhatti : The MIGRATION Concept for Ionic Motion in Materials with Disordered Structures, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 756, EE 1.1.1, 2003

Funke, K. C. Cramer, D. Wilmer : Concept of Mismatch and Relaxation for Self-Diffusion and Conduction in Ionic Materials with Disordered Structures, in: Diffusion in Condensed Matter, J. Kärger, P. Heitjans, R. Haberlandt eds., Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden, 2003