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Thermionische Studien zu Bestimmung elektronischer und ionischer Austrittsarbeiten durch Zählen von Ladungsträgern
Gegenstand dieser Arbeit ist die Bestimmung der ionischen und elektronischen Austrittsarbeit von unterschiedlichen Materialien, mit einem Fokus auf die Austrittsarbeiten von unterschiedlichen Kathodenmaterialien. Die Austrittsarbeiten wurden mithilfe von thermionischer Emission bestimmt. Dazu wurde...
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| 1. Verfasser: | |
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| Beteiligte: | |
| Format: | Dissertation Daten |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Philipps-Universität Marburg
2021
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| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | Datensatz ansehen PDF-Volltext |
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| Zusammenfassung: | Gegenstand dieser Arbeit ist die Bestimmung der ionischen und elektronischen Austrittsarbeit von unterschiedlichen Materialien, mit einem Fokus auf die Austrittsarbeiten von unterschiedlichen Kathodenmaterialien. Die Austrittsarbeiten wurden mithilfe von thermionischer Emission bestimmt. Dazu wurde zur Quantifizierung des Emissionsstroms ein MCP-Detektor verwendet, der die Bestimmung des Emissionsstroms durch Zählen von Ladungsträgern ermöglicht. Es wurden zunächst die ionischen Austrittsarbeiten unterschiedlicher Lithiumphosphatgläser ermittelt. Für Lithiumultraphosphatglas konnte ebenfalls die elektronische Austrittsarbeit ermittelt werden. Für dieses Material lag die ionische Austrittsarbeit bei 1.99 eV und die elektronische Austrittsarbeit bei 1.64 eV. Es wurden außerdem ionische und elektronische Austrittsarbeiten von Lithiumeisenphosphat und Lithiummanganoxid bei unterschiedlichen Lithiumanteilen in den Proben ermittelt. Für Lithiummanganoxid konnten die elektronischen Austrittsarbeiten mithilfe von thermionischer Emission nicht ermittelt werden und wurden daher im Rahmen einer Kooperation mithilfe von Photoelektronenspektroskopie (XPS) ermittelt. Für einige der gemessenen, vor allem elektronischen, Emissionsströme wurde eine, nach den Modellen zur thermionischen Emission nicht erwartete, Abnahme des Emissionsstroms beobachtet. Einflüsse auf die ermittelten Austrittsarbeiten konnten mithilfe der Berücksichtigung der Abnahme des Emissionsstroms mit der Zeit minimiert werden. Für die ionischen Austrittsarbeiten aus Lithiumeisenphosphat ergab sich zunächst keine und später nur eine leichte Änderung der Austrittsarbeit mit fallendem Lithiumanteil. Die erhaltenen ionischen Austrittsarbeiten von Lithiumeisenphosphat wurden mit Ergebnissen aus Molekulardynamikrechnungen, die von einem Kooperationspartner durchgeführt wurden, verglichen. Für diese ergab sich während der Emission eine Ansammlung der Lithiumionen an der Oberfläche, was die geringe Abhängigkeit der Austrittsarbeiten von der Ionenkonzentration im bulk erklären könnte. Die berechneten ionischen Austrittsarbeiten verhielten sich ähnlich wie die experimentell bestimmten. Für die elektronischen Austrittsarbeiten aus Lithiumeisenphosphat wurde zunächst ein Anstieg der elektronischen Austrittsarbeit mit abnehmendem Lithiumanteil in der Probe und anschließend ein Bereich, indem die elektronische Austrittsarbeit konstant bleibt, beobachtet. Für Lithiummanganoxid zeigte sich im Gegensatz zu Lithiumeisenphosphat keine Veränderung der ionischen und elektronischen Austrittsarbeit mit dem Lithiumanteil in der jeweiligen Probe. Die erhaltenen Proben wurden in einen bereits in einer früheren Arbeit aufgestellten Born-Zyklus eingesetzt, mit dem die Zellspannung eines Batteriesystems mit dem jeweiligen Kathodenmaterial abgeschätzt werden soll. Hieraus ergab sich allerdings sowohl für Lithiummanganoxid als auch für Lithiumeisenphosphat eine Differenz zur bekannten Zellspannungen der jeweiligen Materialien. Es wird vermutet, dass diese Differenz auf Grenzflächeneffekte zurückgeführt werden kann. Aus den erhaltenen Born-Zyklen für einen geringeren Lithiumanteil der jeweiligen Proben ergab sich für Lithiumeisenphosphat keine Veränderung der Differenz, während für Lithiummanganoxid eine Änderung der Differenz zwischen abgeschätzter Zellspannung und Literaturwerten festgestellt werden konnte. Außerdem wurde die ionische Auszrittsarbeit von Lithiumtrisilikatglas bestimmt. Diese liegt bei 2.95 eV. Lithiumtrisilikatglas soll in isotopenreiner Form als Lithiumemitter in CAIT (charge attachement induced transport) Experimenten im Arbeitskreis Weitzel verwendete werden. Da die ionische Emission auch für dieses Material einen leichten Abfall des Emissionsstroms mit der Zeit zeigte, wurde die Temperatur der Probe, wann immer die Emission unter einen festgelegten Grenzwert fällt, erhöht. So konnte eine Emission von mindestens 50 nA über einen Zeitraum von 10 Tagen erreicht werden, dies entspricht ungefähr 7 % des Lithiumanteils der verwendeten Probe . |
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| Umfang: | 367 Seiten |
| DOI: | 10.17192/z2022.0067 |