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Eine Nase aus Strontiumtitanat soll Lambda-Sonde ersetzen
18.06.2001
Die Lambda-Sonde des Katalysators auf der Basis von Zirkoniumdioxid versagt bei Temperaturen oberhalb von 600 Grad Celsius und
kann daher nicht in unmittelbarer Nähe zum Verbrennungsort, den sehr heißen Zylindern, sondern erst im kühleren Abgasrohr die
Zusammensetzung des Gases Messen. So reguliert sie immer einen Augenblick zu spät. Als schneller Sauerstoffsensor bei hohen
Temperaturen kommt Strontiumtitanat (SrTiO3) in Betracht. Ein deutscher Automobilhersteller versuchte es einzusetzen. Leider waren
die Versuche jedoch nicht von Erfolg gekrönt, denn nach einigen Monaten bildeten sich auf dem Material "blinde Flecken".
Strontiumoxidinseln (SrO) auf der Oberfläche senkten die Empfindlichkeit die Sensors.
Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Dipl. Chem. Anissa Gunhold und Dr. Karsten Gömann erforschen nun die
Ursachen der Bildung dieser Schichten.
Die Lambda-Sonde des Katalysators auf der Basis von Zirkoniumdioxid versagt bei Temperaturen oberhalb von
600 Grad Celsius und kann daher nicht in unmittelbarer Nähe zum Verbrennungsort, den sehr heißen Zylindern,
sondern erst im kühleren Abgasrohr die Zusammensetzung des Gases messen. So reguliert sie immer einen
Augenblick zu spät. Eine individuelle Ansteuerung der Luftmischung jedes einzelnen Zylinders ist nicht möglich.
Als schneller Sauerstoffsensor bei hohen Temperaturen kommt Strontiumtitanat (SrTiO3) in Betracht. Ein deutscher
Automobilhersteller versuchte es einzusetzen. Leider waren die Versuche jedoch nicht von Erfolg gekrönt, denn
nach einigen Monaten bildeten sich auf dem Material "blinde Flecken". Strontiumoxidinseln (SrO) auf der
Oberfläche senkten die Empfindlichkeit die Sensors.
Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Dipl.Chem. Anissa Gunhold und Dr. Karsten Gömann erforschen nun die
Ursachen der Bildung dieser Schichten. Projektleiter des interdisziplinären Forschungsvorhabens sind Professor Dr.-Ing. Günter Borchardt
vom Institut für Metallurgie und Dr. Wolfgang Maus-Friedrichs vom Institut für Physik und Physikalische Technologien. Die Deutsche
Forschungsgemeinschaft fördert das Vorhaben.
Wie funktioniert die "Nase" aus Strontiumtitanat? Dr. Maus-Friedrichs erklärt: "In dotierten Strontiumtitanatkristallen entstehen in
Abhängigkeit von Temperatur, Dotierung und äußerem Sauerstoffpartialdruck Sauerstoffleerstellen. Wegen der notwendigen
Ladungsneutralität werden sie durch quasi-gebundene Elektronen kompensiert. Diese Elektronen sind leicht beweglich. Legt man nun ein
elektrisches Feld an, so fließt ein Strom. Zwischen der Anzahl der Sauerstoffleerstellen und dem außen anliegenden Sauerstoffpartialdruck
entsteht ein dynamisches Gleichgewicht, in dem kontinuierlich Leerstellen aufgefüllt bzw. neue Leerstellen geschaffen werden. Die
elektrische Leitfähigkeit wird dabei um so geringer je höher der Sauerstoffpartialdruck in der umgebenden Gasatmosphäre ist." Dieses
"schöne" Meßprinzip funktioniert auch noch bei Temperaturen über 1000 Grad Celsius. "Nach einiger Zeit bilden sich aber die erwähnten
blinden Flecke. Wir wollen verstehen, wie es zur Bildung dieser isolierenden Inseln kommt und ob man diese Bildung verhindern kann", sagt
Dipl. Chem. Anissa Gunhold. Hierzu sollen die chemische Zusammensetzung und die Anordnung der Atome im Kristallgitter der
verschiedenen Oberflächenbereiche experimentell bestimmt werden. Zunächst sollen Einkristalle, später polykristalline Strontiumtitanatfilme
untersucht werden. Die Rolle der einzelnen Einflußfaktoren, also Art und Konzentration der Dotierung, Sauerstoffpartialdruck,
Glühtemperatur und -zeit, muß geklärt werden. Dann können Strategien entworfen werden, wie die Bildung der isolierenden Bereiche
vermieden werden kann, d. h. wie die Strontiumtitanat-Nase ihre Empfindlichkeit behalten kann.
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