Badania przedstawione w niniejszej pracy miały na celu poznanie wybranych właściwości YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) domieszkowanego w różnym stopniu Mn, szczególnie tych widzianych od strony manganu.
Dwutlenek cyrkonu stabilizowany itrem jest przewodnikiem jonowym, powszechnie wykorzystywanym jako elektrolit w stałotlenkowych ogniwach paliwowych. Poprzez domieszkowanie kationami metalu przejściowego (w tym przypadku Mn) uzyskuje się w tym materiale również przewodnictwo elektronowe - co może być istotne dla zmniejszania strat zachodzących w ogniwie. Dla zrozumienia zachowania się materiału istotne są efekty i zmiany zachodzące lokalnie. Dlatego do zbadania właściwości YSZ + Mn wykorzystano głównie pomiary synchrotronowe: XES (X-ray Emission Spectroscopy) i XAS (X-ray Absorption Spectroscopy), umożliwiające selektywne próbkowanie wybranego pierwiastka; oraz pomiary magnetometryczne umożliwiające zbadanie wpływu domieszek magnetycznych. Przeprowadzone badania dostarczyły szczegółowych informacji o lokalnym otoczeniu, stanach ładunkowych i spinowych Mn oraz ich ewolucji ze zmianą stopnia domieszkowania. W szczególności, określenie średniego stopnia utlenienia manganu pozwoliło na oszacowanie koncentracji wakancji tlenowych - parametru ważnego z punktu widzenia zastosowań tych materiałów jako przewodników jonowych.
Electronic and spin states and the local environment of manganese dopant in yttria stabilized ZrO2
The goal of this work was to determine selected physical properties of YSZ (Yttria-stabilized zirconia) doped with different amounts of Mn, especially those of manganese sites.
Yttria-stabilized zirconia is an ionic conductor commonly used as a solid electrolyte in Solid Oxide Fuel Cells. Doping the material with transition metal cations (in this case Mn) enhances electronic conductivity in addition to ionic conductivity, which may be important for reduction of power losses of the cell. Local effects and changes are important for understanding the properties of materials. Thus the synchrotron radiation measurements were mainly used to investigate local electronic properties of YSZ + Mn. This goal was achieved by means of XES ray Emission Spectroscopy) and XAS (X-ray Absorption Spectroscopy) - element selective probes. Magnetic measurements, which allow to probe mean electronic configuration of magnetic dopants - were also used in this work. Detailed information about local environment, Mn ions electronic and spin states and their evolution with the increasing doping were obtained. In particular, the detailed determination of Mn ions' mean oxidation state, which allowed estimation of oxygen vacancy concentration, is of importance for practical application of these materials as ionic conductors.
