In diesem Vorhaben sollen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Kristallstrukturen und strukturkontrollierten Eigenschaftswerten von Verbindungen der Mullit-Strukturfamilie, die ein einsames Elektronen-Paar (LEP) besitzen, herausgearbeitet werden. Die strukturelle Charakterisierung der Phasen erfolgt über Beugungsverfahren, die Klärung der strukturellen Nahordnung über spektroskopische Untersuchungen. Diese Verbindungen liefern ein gutes Modellsystem, um im Vergleich von Phasen mit und ohne LEPs diese Einflüsse zu studieren. Die stereochemische Verzerrung der Kationenumgebung sollte eine Reihe physikalisch-chemischer Eigenschaften wie das thermische und mechanische Verhalten der Phasen beeinflussen. Hinzu kommen elektrische Leitfähigkeit oder Elastizitätsmodul durch mögliche induzierte Sauerstoff-Fehlstellen bei partiellem Ersatz von Mⁿ⁺ - durch M^(n-1)+-Kationen. Es soll geprüft werden, ob und wie sich die Eigenschaften durch strukturelle Modifikation der Mullit-ähnlichen Verbindungen gezielt verändern lassen und ob es möglich ist, neue Phasen und Verknüpfungsformen herzustellen. Strukturell wichtige Fragestellungen sind dabei die Deformation und Verzerrung der Oktaeder-Ketten sowie der verknüpfenden Baueinheiten durch die stereochemische Ausrichtung der LEPs. Ein wichtiger Erkenntnisfortschritt wird durch den Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit daraus abgeleiteten geometrischen Parameteranalysen und quantenchemischen Modelierungen erwartet.

Dieses Vorhaben beinhaltet die Synthese mullitähnlicher Verbindungen des Typs Bi₂M₄O₉, deren temperaturabhängigen Struktur-Eigenschafts-beziehungen im Verbund komplementär untersucht werden. Die hierfür ausgewählten Verbindungen konzentrieren sich auf Zusammen-setzungen des Typs Bi_2-2xSr_2xM¹_4-4yM²_4yO_9-x mit M¹, M² = Al, Ga, Fe. Die Pulver­proben und Precursormaterialien sollen in systematischen Versuchen zur Herstellung von Sinterkörpern und anwendungs-relevanten Keramiken in Rückkopplung mit den Verbund­partnern benutzt und weiter optimiert werden. Korngrenzenbeiträge zur Ionenleitfähigkeit und zu thermomechanischen Eigenschaften sollen u.a. durch den Vergleich mit Einkristalluntersuchungen erkannt werden. Zur Syntheseoptimierung und zur Charakter­isierung der Syntheseprodukte, Sinterkörper und Keramiken werden spezielle Untersuch­ungen hinsichtlich Phasenzusammensetzung, mittlerer Kristallitgrößen, Korn­grenzen und Elementzusammensetzungen durchgeführt. Eine Bestimmung der temperatur­abhängigen Struktur-Eigenschafts-beziehungen erfolgt in diesem Teilprojekt mittels temper­aturabhängiger Infrarot (TIR) -Spektroskopie um damit strukturspezifische M¹-O-M² Verknüpfungen zu erkennen und mögliche Umverteilungen in-situ zu verfolgen und zu quantifizieren.

Im Rahmen des Verbundvorhabens sollen die Kristallstrukturen reiner und Sr-dotierter Verbindungen der Zusammensetzungen Bi₂M₄O₉ bzw. Bi_2-2xSr_xM₄O_9-x, (M = Al³⁺, Ga³⁺, Fe³⁺) durch in-situ Hochtemperatur-Einkristall und –Pulverbeugungstechniken (Röntgen- und Neutronenbeugung, diffuse Streuung) charakterisiert werden. Die mit Beugungsmethoden bestimmten Veränderungen der strukturellen Fernordnungen der Verbindungen zwischen Raumtemperatur und 1000°C sollen mit den aus spektroskopischen Messungen gewonnenen Erkenntnissen zur strukturellen Nahordnung in Beziehung gesetzt werden. Aus dieser umfassenden strukturellen Analyse erwarten wir Hinweise auf mögliche temperaturinduzierte Ordnungs/Unordnungs-Phänomene der Sauerstoff-Fehlstellen und der Kationenverteilungen. Die temperaturabhängigen strukturellen Veränderungen werden mit der Diffusion, der Ionenleitfähigkeit und den elastischen Konstanten des Materials korreliert.