Lantan (La), yüksek performanslı seramikler, katalizörler ve özellikle Katı Oksit Yakıt Hücreleri (SOYAH) ile sensörler gibi elektrokimyasal cihazlarda kritik bir katkı maddesidir. Lantan katkısı, ana matrisin kristal kafesinde nokta kusurları yaratarak malzemenin iyonik veya elektronik iletkenliğini önemli ölçüde artırır.
Bu Lantan katkılı malzemelerin (örneğin Lantan Gallat, Lantan Stronsiyum Manganit) ticari uygulamalarda başarılı olabilmesi için, iletkenliklerinin farklı çalışma koşulları altında doğru ve güvenilir bir şekilde ölçülmesi şarttır.
Lantan katkılı malzemeler genellikle iyon iletkeni (örneğin SOYAH elektrolitlerinde) veya elektron iletkeni (örneğin SOYAH elektrotlarında) olarak görev yapar. Bu malzemelerin performansı, direncin tersi olan iletkenlik değerine doğrudan bağlıdır. Yüksek iletkenlik, cihazın enerji kayıplarını minimuma indirerek verimliliğini maksimize eder.
İletkenlik ölçümünde en yaygın ve güvenilir yöntem, numunenin geometrik faktörlerinden kaynaklanan hataları en aza indiren 4 Uçlu (Noktalı) Doğru Akım (DC) Metodudur.
Dört Temas Noktası: Numunenin iki ucuna akım (I) uygulanırken, içteki iki noktadan voltaj (V) ölçülür.
Hata Giderme: Geleneksel 2 uçlu metotta, temas dirençleri ve kablo direnci toplam dirence eklenirken, 4 uçlu metotta voltaj sadece numunenin saf direnci üzerinden ölçüldüğü için bu hatalar ortadan kalkar.
Hesaplama: Ölçülen akım ve voltaj değerleri, Ohm Yasası (R=V/I) kullanılarak numunenin direnci bulunur. Ardından, numunenin geometrisi (uzunluk ve kesit alanı) kullanılarak özgül iletkenlik hesaplanır.
Özellikle elektronik iletkenliği baskın olan malzemelerin ölçümünde kullanılır.
Lantan katkılı malzemelerin iletkenliği genellikle sıcaklığa ve eğer hem iyonik hem de elektronik iletkenlik varsa, frekansa bağlıdır.
EIS, Lantan katkılı iyon iletkenlerinin karakterizasyonunda en güçlü tekniktir. Bu yöntem, malzemenin toplam direncini bileşenlerine ayırır.
Nasıl Çalışır: Numuneye farklı frekanslarda AC voltajı uygulanır ve malzemenin empedans (direnç) tepkisi kaydedilir.
Analiz: Elde edilen veriler Nyquist Grafiği adı verilen bir grafikte analiz edilir. Bu grafik üzerinde, tane içi (bulk) direnç, tane sınırı direnci ve elektrot-numune arayüzey direnci olmak üzere üç farklı direnç bileşeni tanımlanabilir.
Kritik Fayda: Lantan katkısının iyon hareketine olan etkisini (örneğin oksijen iyonu iletkenliği) elektronik iletkenlikten net bir şekilde ayırmayı sağlar.
Lantan katkılı seramikler genellikle yüksek sıcaklıkta (500-1000 santigrat derece) çalıştırıldığından (örneğin SOYAH), iletkenlik ölçümleri de bu koşullar altında yapılmalıdır.
Tasarım: Numunenin bir fırın içinde, sıcaklık ve gaz atmosferi (hava, indirgeyici gazlar vb.) kontrol altında tutularak ölçülmesi gerekir.
Kritik Kontrol: Gaz atmosferinin bileşimi hayati öneme sahiptir, zira Lantan katkılı seramiklerdeki iletkenlik, ortamdaki oksijen kısmi basıncına (pO2) bağlı olarak değişebilir.
Lantan katkılı malzemelerin elektriksel iletkenliğini doğru bir şekilde ölçmek, elektrokimyasal cihazların Ar-Ge ve optimizasyon süreçleri için vazgeçilmezdir. 4 uçlu DC metodu temel direnci verirken, EIS gibi gelişmiş teknikler iyonik ve elektronik bileşenler arasındaki kritik ayrımı yaparak, Lantan'ın katkı mekanizmasını atomik düzeyde anlamamızı sağlar. Bu hassas veriler, daha verimli yakıt hücreleri ve sensörler tasarlamanın temelini oluşturur.
