Untersuchung der Fe3O4(001)-c(2x2)-Oberflache und dunner Al2O3-Filme auf Nickelaluminium mit Oberflachenrontgenbeugung

Published: July 30, 2004, 11 a.m.

In dieser Arbeit wurden sowohl einkristalline Magnetit- als auch mit ultrad\xfcnnen Oxidfilmen bedeckte NiAl- und Ni3Al-Legierungskristalle mithilfe von Oberfl\xe4chenr\xf6ntgenbeugung (SXRD, surface X-ray diffraction) untersucht. Das Ziel war es, die atomare Struktur der rekonstruierten Magnetitfl\xe4che und des Kompositsystems Oxidfilm-Interface-Legierungskristall zu bestimmen. F\xfcr die durch Ionenbeschu\xdf und Tempern pr\xe4parierte, c(2x2)-rekonstruierte Fe3O4(001)-Oberfl\xe4che wurden mit Oberfl\xe4chenr\xf6ntgenbeugung in plane-Reflexe, Grundgitter- und \xdcberstruktur-Beugungsst\xe4be gemessen. Mit f\xfcnf in der Literatur diskutierten Terminierungsmodellen wurde eine Anpassung an die experimentellen Daten durchgef\xfchrt; f\xfcr folgende zwei Modelle ergab sich eine \xe4hnlich gute \xdcbereinstimmung der simulierten St\xe4be mit den Me\xdfwerten: die Terminierung mit einer halben Monolage tetraedrisch koordinierten Eisens (Modell 3) und die Terminierung mit einer vollen Oktaeder-Eisenlage (Modell 2). Beiden angepa\xdften Strukturen gemein ist eine laterale wellenf\xf6rmige Verzerrung der obersten Oktaedereisenreihen mit einer Amplitude zwischen 0.11 und 0.14 \xc5 und eine starke Kontraktion des ersten Lagenabstandes (Modell 3: 80 - 100 %, Modell 2: 31 %). Im Fall der Modell 3-Terminierung schlie\xdft die oberste Eisenlage fast v\xf6llig 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 verk\xfcrzte Fe-O-Bindungsabst\xe4nde mit einem minimalen Abstand von 1.77 \xc5. Bei der Rechnung unter Verwendung nur der \xdcberstrukturintensit\xe4ten ergeben sich f\xfcr Modell 2 um 4 - 6 % niedrigere R-Werte (Anpassungsg\xfcte), die zusammen mit den Ergebnissen aktueller STM-Messungen und ab initio Simulationsrechnungen die B-Lagenterminierung unterst\xfctzen. Dies ist insofern bemerkenswert, da diese polare Terminierung aus elektrostatischen Gr\xfcnden instabil sein sollte. Die Untersuchung der Aluminiumoxid-D\xfcnnfilme auf Nickelaluminium ergab f\xfcr die beiden untersuchten Substrate NiAl(110) und Ni3Al(111) \xe4hnliche Resultate. Die reinen, nichtoxidierten Nickelaluminiumfl\xe4chen waren im UHV unrekonstruiert und wiesen f\xfcr die \xe4u\xdfere Ni/Al-Doppellage ein gegen\xfcber Ni st\xe4rker ins Vakuum relaxiertes Aluminiumatom auf (\u2019rippling\u2019, NiAl(110): 0.16 \xc5, Ni3Al(111): 0.01 \xc5). In umfangreichen Pr\xe4parationsserien unter Zuhilfenahme von SPA-LEED- und AES-Messungen wurden die optimalen Bedingungen f\xfcr die Bildung eines stabilen Films gefunden. F\xfcr NiAl(110) ist dies die Oxidation bei 850 K mit anschlie\xdfendem Tempern bei 1150 K, f\xfcr 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 Vorl\xe4uferphase mit hexagonaler Oxidzelle auf (Al2O3/NiAl(110): 3.12 \xc5, Al2O3/Ni3Al(111): 2.95 \xc5), die sich jeweils ab etwa 1100 K in einen stabilen, gut geordneten Oxidfilm umwandelt. F\xfcr Al2O3/NiAl(110) folgt aus der Analyse der R\xf6ntgenreflektivit\xe4t ein aus 5 Atomlagen bestehender, 7.8 \xc5 dicker Oxidfilm mit einer Al-Interfaceschicht, die einen Abstand von 1.7 \xc5 von der obersten Substratlage aufweist. Im Fall von Al2O3/Ni3Al(111) ist der aus 4 Atomlagen bestehende Film (1 Interfacelage + 3 Oxidlagen) 5.2 \xc5 dick mit einem Substratabstand von 2.1 \xc5 f\xfcr die Al-Interfacelage. Die Intensit\xe4t der Gitterabbruchst\xe4be l\xe4\xdft sich jeweils mit einem abrupt endenden, strukturell wenig ver\xe4nderten Substrat erkl\xe4ren, wobei chemische Unordnung in den Legierungskomponenten nur in der Gr\xf6\xdfenordnung weniger Prozente auftritt. F\xfcr NiAl(110) wurden zwei verschiedene, hoch geordnete \xdcberstrukturen gemessen: Die bekannte, entlang der NiAl[1 \u20131 0]-Richtung kommensurable Oxidstruktur (HT1) der Dimension 10.58 x 17.87 \xc5 (Zellwinkel 88.9\xb0) und eine zus\xe4tzlich im Rahmen der R\xf6ntgenmessung gefundene, in [1 \u20131 1]-Richtung kommensurable Struktur (HT2) mit einer Zelle von 3.97 x 3.91 \xc5 (Zellwinkel 73.3\xb0). Die HT2-Struktur ist dabei auf eine chemische Verunreinigungen mit Bor zur\xfcckzuf\xfchren. F\xfcr den Oxidfilm auf Ni3Al(111) wurden SPA-LEED-Untersuchungen durchgef\xfchrt, mit denen das komplizierte Beugungsbild aufgeschl\xfcsselt wurde: Es wurden eine hexagonale Oxid-Basiszelle der Dimension 3.01 \xc5 gefunden, die eine hexagonale, 23.8 \xc5 gro\xdfe, 17.78\xb0 gegen die [1 -1 0]-Substratrichtung gedrehte \xdcberstruktur (\u2019Modulationszelle\u2019) aufweist. Zus\xe4tzlich besteht ein Koinzidenzgitter zwischen Substrat und Oxid, das eine (sqrt(3) x sqrt(3))R30\xb0-\xdcberstruktur der Modulationszelle darstellt. Die Modulationszelle des Al2O3-Films ist dabei als eine dichtgepackte Sauerstoffstruktur mit bevorzugter Tetraederl\xfcckenbesetzung des Aluminiums aufzufassen, deren Atome in der Mitte der hexagonalen Zelle hoch geordnet, an den Kanten stark fehlgeordnet sind.