SPP 1136:  Chemical Substitution in Ionic Solids

Final Report Abstract

Ionische Mischphasen (feste Lösungen) gewinnen seit Jahren in vielen Bereichen zukunftsweisender Technologien wachsende Bedeutung, so zum Beispiel als Ionenleiter, Dielektrika, Magnetika, Leuchtstoffe, Sensormaterialien, etc. Dabei werden die gewünschten Eigenschaften oft erst durch Substitution im Kationen- und/oder Anionen-Teilgitter erhalten. Mit der rasanten – nicht selten empirisch erfolgten – Optimierung der Materialeigenschaften kann jedoch weder das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Effekte noch die Entwicklung gezielter Präparationsverfahren Schritt halten. Ziel des abgeschlossenen Programms war es, die Weiter- und Neuentwicklung solcher Materialien grundlagenorientiert voran zu treiben. Hierbei sollte ein Bogen gespannt werden von den physikalisch-chemischen Grundlagen über die Entwicklung gezielter Präparationsverfahren, die Bestimmung und Optimierung physikalisch-chemischer Eigenschaften bis hin zu materialwissenschaftlichen Fragestellungen und Problemlösungen. Als Stammverbindungen sollten bevorzugt Metalloxide in Betracht kommen. Im Zentrum des Programms standen Modifizierungen im Anionen-Teilgitter, wobei „einfache“ Anionen wie S2-, F-, N3- im Vordergrund des Interesses stehen sollten. Die folgenden Aktivitäten sollten bevorzugt gefördert werden: Entwicklung reproduzierbarer Verfahren zur Präparation von ionischen Mischphasen mit definierter Zusammensetzung und Phasenbreite, Messung und Verständnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften, Erarbeitung theoretischer Grundlagen und Modellbildung zum Verständnis des Wechselspiels zwischen Substitution und physikalisch-chemischer Eigenschaft. Eine Fokussierung der Einzelprojekte auf einige wenige exemplarische Stoffsysteme und deren systematische Bearbeitung war beabsichtigt. Da die Fragestellung einen stark interdisziplinären Charakter aufweist, waren koordinierte Anträge verschiedener Gruppen, die ihre unterschiedlichen Kompetenzen einer gemeinsamen Fragestellung widmen, besonders erwünscht. Auch wenn der Kern des Programms in der Festkörperchemie angesiedelt war, wurden Wissenschaftler aus den Nachbardisziplinen Physik, Mineralogie und Materialwissenschaften ausdrücklich zur Antragstellung aufgefordert. Aus Sicht des Koordinators, der Antragsteller und der beim wissenschaftlichen Abschlusskolloquium in Eisenach (24./25. August 2009) anwesenden Gutachter war das Schwerpunktprogramm sehr erfolgreich, was u.a. durch einen umfangreichen Sonderband des Review-Journals „Progress in Solid State Chemistry“ (ausschließlich mit Beiträgen des SPP) belegt ist. Das Thema der „festen Lösungen“, insbesondere das gezielte Austauschen von Anionen in ionischen Verbindungen, erwies sich als außerordentlich fruchtbar und das SPP kann in einigen Aspekten als Richtung weisend und maßgeblich betrachtet werden. Die enge Zusammenarbeit von Physikochemikern und Physikern mit Festköperchemikern und Theoretikern hat sich als sehr produktiv erwiesen und eine Reihe von Folgeprojekten erzeugt. Aus Sicht des Koordinators hat sich die fachliche Netzwerkbildung als besonders nachhaltig erwiesen. Das SPP war Keimzelle für Nachwuchswissenschaftler/innen, für akademischen Nachwuchs und für neue und weiterführende wissenschaftliche Fragestellungen.

Projects