Quantenchemische und molekulardynamische Simulation der Bildung und Wanderung von Defekten in Zirkondioxid

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Die Stickstoffsubstitution von reinem oder kationensubstituiertem Zirkondioxid führt zu Strukturen mit hoher Defektkonzentration. Als Defekte treten Sauerstoff-Fehlstellen sowie Fremdatome an Gitter- und Zwischengitterplätzen auf. Die resultierenden Materialien sind gute Ionenleiter mit technischer Relevanz (z. B. für Brennstoffzellen). Für das grundlegende Verständnis der Materialeigenschaften müssen die Mechanismen der Ionenleitung auf atomarem Niveau aufgeklärt werden. Als Ergänzung zu experimentellen Techniken, die von anderen Arbeitsgruppen des Schwerpunktprogramms verwendet werden, werden hier quantenchemische Verfahren auf Hartree-Fock- und DichtefunktionaltheorieBasis in Kombination mit klassischen Molekulardynamik-Verfahren eingesetzt. Es werden die Energetik, die geometrische und elektronische Struktur sowie die Beweglichkeit von Punktdefekten in ZrO2 und ZrO2-Derivaten untersucht. Der Einfluß der Dotierung von Zirkondioxid mit Fremdmetallen auf die Stabilität der kubischen und tetragonalen Phasen wird untersucht. Die Diffusion von Ionen soll mit Molekulardynamik-Methoden in Abhängigkeit der Temperatur und Stickstoffkonzentration simuliert werden.