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Wendler, Frank (2004): Untersuchung der Fe3O4(001)-c(2x2)-Oberfläche und dünner Al2O3-Filme auf Nickelaluminium mit Oberflächenröntgenbeugung. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

In dieser Arbeit wurden sowohl einkristalline Magnetit- als auch mit ultradünnen Oxidfilmen bedeckte NiAl- und Ni3Al-Legierungskristalle mithilfe von Oberflächenröntgenbeugung (SXRD, surface X-ray diffraction) untersucht. Das Ziel war es, die atomare Struktur der rekonstruierten Magnetitfläche und des Kompositsystems Oxidfilm-Interface-Legierungskristall zu bestimmen. Für die durch Ionenbeschuß und Tempern präparierte, c(2x2)-rekonstruierte Fe3O4(001)-Oberfläche wurden mit Oberflächenröntgenbeugung in plane-Reflexe, Grundgitter- und Überstruktur-Beugungsstäbe gemessen. Mit fünf in der Literatur diskutierten Terminierungsmodellen wurde eine Anpassung an die experimentellen Daten durchgeführt; für folgende zwei Modelle ergab sich eine ähnlich gute Übereinstimmung der simulierten Stäbe mit den Meßwerten: die Terminierung mit einer halben Monolage tetraedrisch koordinierten Eisens (Modell 3) und die Terminierung mit einer vollen Oktaeder-Eisenlage (Modell 2). Beiden angepaßten Strukturen gemein ist eine laterale wellenförmige Verzerrung der obersten Oktaedereisenreihen mit einer Amplitude zwischen 0.11 und 0.14 Å und eine starke Kontraktion des ersten Lagenabstandes (Modell 3: 80 - 100 %, Modell 2: 31 %). Im Fall der Modell 3-Terminierung schließt die oberste Eisenlage fast völlig mit der darunterliegenden B-Lage ab, wobei starke differentielle Relaxationen zwischen den Eisen- und Sauerstoffionen auftreten. Die Modell 2-Terminierung zeigt dagegen eine im wesentlichen einheitliche Relaxation der vertikalen Atompositionen und im Vergleich mit Modell 3 geringer verkürzte Fe-O-Bindungsabstände mit einem minimalen Abstand von 1.77 Å. Bei der Rechnung unter Verwendung nur der Überstrukturintensitäten ergeben sich für Modell 2 um 4 - 6 % niedrigere R-Werte (Anpassungsgüte), die zusammen mit den Ergebnissen aktueller STM-Messungen und ab initio Simulationsrechnungen die B-Lagenterminierung unterstützen. Dies ist insofern bemerkenswert, da diese polare Terminierung aus elektrostatischen Gründen instabil sein sollte. Die Untersuchung der Aluminiumoxid-Dünnfilme auf Nickelaluminium ergab für die beiden untersuchten Substrate NiAl(110) und Ni3Al(111) ähnliche Resultate. Die reinen, nichtoxidierten Nickelaluminiumflächen waren im UHV unrekonstruiert und wiesen für die äußere Ni/Al-Doppellage ein gegenüber Ni stärker ins Vakuum relaxiertes Aluminiumatom auf (’rippling’, NiAl(110): 0.16 Å, Ni3Al(111): 0.01 Å). In umfangreichen Präparationsserien unter Zuhilfenahme von SPA-LEED- und AES-Messungen wurden die optimalen Bedingungen für die Bildung eines stabilen Films gefunden. Für NiAl(110) ist dies die Oxidation bei 850 K mit anschließendem Tempern bei 1150 K, für Ni3Al(111) die Oxidation und Ausheilen bei einer Temperatur von 1050 K mit einer um den Faktor 10 geringeren Sauerstoffdosis. In beiden Systemen tritt bei niedrigen Temperaturen eine metastabile, stark fehlgeordnete Vorläuferphase mit hexagonaler Oxidzelle auf (Al2O3/NiAl(110): 3.12 Å, Al2O3/Ni3Al(111): 2.95 Å), die sich jeweils ab etwa 1100 K in einen stabilen, gut geordneten Oxidfilm umwandelt. Für Al2O3/NiAl(110) folgt aus der Analyse der Röntgenreflektivität ein aus 5 Atomlagen bestehender, 7.8 Å dicker Oxidfilm mit einer Al-Interfaceschicht, die einen Abstand von 1.7 Å von der obersten Substratlage aufweist. Im Fall von Al2O3/Ni3Al(111) ist der aus 4 Atomlagen bestehende Film (1 Interfacelage + 3 Oxidlagen) 5.2 Å dick mit einem Substratabstand von 2.1 Å für die Al-Interfacelage. Die Intensität der Gitterabbruchstäbe läßt sich jeweils mit einem abrupt endenden, strukturell wenig veränderten Substrat erklären, wobei chemische Unordnung in den Legierungskomponenten nur in der Größenordnung weniger Prozente auftritt. Für NiAl(110) wurden zwei verschiedene, hoch geordnete Überstrukturen gemessen: Die bekannte, entlang der NiAl[1 –1 0]-Richtung kommensurable Oxidstruktur (HT1) der Dimension 10.58 x 17.87 Å (Zellwinkel 88.9°) und eine zusätzlich im Rahmen der Röntgenmessung gefundene, in [1 –1 1]-Richtung kommensurable Struktur (HT2) mit einer Zelle von 3.97 x 3.91 Å (Zellwinkel 73.3°). Die HT2-Struktur ist dabei auf eine chemische Verunreinigungen mit Bor zurückzuführen. Für den Oxidfilm auf Ni3Al(111) wurden SPA-LEED-Untersuchungen durchgeführt, mit denen das komplizierte Beugungsbild aufgeschlüsselt wurde: Es wurden eine hexagonale Oxid-Basiszelle der Dimension 3.01 Å gefunden, die eine hexagonale, 23.8 Å große, 17.78° gegen die [1 -1 0]-Substratrichtung gedrehte Überstruktur (’Modulationszelle’) aufweist. Zusätzlich besteht ein Koinzidenzgitter zwischen Substrat und Oxid, das eine (sqrt(3) x sqrt(3))R30°-Überstruktur der Modulationszelle darstellt. Die Modulationszelle des Al2O3-Films ist dabei als eine dichtgepackte Sauerstoffstruktur mit bevorzugter Tetraederlückenbesetzung des Aluminiums aufzufassen, deren Atome in der Mitte der hexagonalen Zelle hoch geordnet, an den Kanten stark fehlgeordnet sind.