Zur Wechselwirkung von Ionentransport und Mikrostruktur in inneren Grenzflächen : Untersuchungen an oxidischen Dünnschichten

Abstract

In vielen technologisch wichtigen Anwendungen findet man heute keramische Materialien in Form von dunnen Einzelschichten, mehrphasigen Multischichten oder Kompositen. In integrierten Schaltungen erfüllen sie die Funktion von Isolationsschichten. In miniaturisierten Kondensatoren und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) findet man sie als Dielektrikum. Strukturierte ferroelektrische Schichten werden als mögliche Speicherelemente (FeRAM) für permanente Speicherbausteine diskutiert. Piezoelektrische Materialien finden Anwendung in mechanischen Aktuatoren. Keramische Dünnschichten sind ebenfalls Bestandteil vieler Anwendungen aus der chemischen und physikalischen Sensorik. In Gassensoren findet man z.B. Schichten halbleitender Oxide und in GMR-, TMR- und SQUID-Magnetfeldsensoren Schichten ferrimagnetischer Oxide und keramischer Hochtemperatursupraleiter. In Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) werden spezielle Keramiken mit ionen- und halbleitenden Eigenschaften als gemischtleitende Kathodenmaterialien genutzt.Die in vielen der aufgezählten Anwendungen anzutreffenden miniaturisierten Strukturen erhöhen die Bedeutung äußerer und innerer Grenzflächen wie Oberflächen, Korn- und Phasengrenzen in Hinblick auf die Funktionseigenschaften. Die Grenzflächen eines Festkörpers unterscheiden aber sich hinsichtlich der mikroskopischen Struktur und den physikalisch-chemischen Eigenschaften deutlich von der Volumenphase. In vielen experimentellen Untersuchungen an ionischen und metallischen Materialien zeigen sich Grenzflächen als Pfade für schnellen Massen- und Ladungstransport.In ionischen Materialien ist im Gegensatz zum Volumentransport der Transport entlang von Grenzflächen und seine Abhängigkeit von der Struktur und der lokalen Zusammensetzung erst unzureichend verstanden. Zur Charakterisierung der lokalen Umgebung von Gitteratome und -defekte in einer Grenzfläche sind mehr Parameter nötig als in der Volumenphase. Die meisten in der Literatur verfügbaren experimentellen und theoretischen Arbeiten zum Korngrenz- und Phasengrenztransport in ionischen Materialien erklären die besonderen Transporteigenschaften der Grenzflächen mit dem Aufbau von Raumladungszonen, in denen eine Anreicherung oder eine Verarmung von beweglichen Gitterdefekten auftritt.In metallischen Materialien ist aufgrund der hohen Dichte mobiler Ladungsträger der Aufbau von Raumladungszonen ausgeschlossen. Die besonderen Transporteigenschaften entlang von Metallkorngrenzen werden daher auf die vom Volumen abweichende lokale Gitterstruktur zurückgeführt. Wichtige diskutierte Einflussgrößen sind die lokale Packungsdichte und die Ausbildung von Versetzungsnetzwerken. Im Vergleich zu ionischen Materialien findet man zum Korngrenztransport in Metallen und Metalllegierungen deutlich mehr experimentelle und theoretische Studien.Die Frage, ob und wie weit strukturelle Parameter auch einen Einfluss auf die Transporteigenschaften entlang von Phasen- und Korngrenzen in Systemen aus ionischen Materialien haben, wird deutlich weniger diskutiert. Insbesondere für Systeme aus stark extrinsischen bzw. hochdotierten ionischen Materialien mit kleinen Raumladungszonen ist ein Verhalten analog zu den Systemen aus metallischen Materialien anzunehmen. In dieser Arbeit wird die Frage experimentell und theoretisch untersucht. Für den Fall des schnellen Phasengrenztransports soll herausgefunden werden, ob und welche strukturellen Parameter wie Fehlpassungen, elastische Verspannungen und Versetzungsdichten einen Einfluss haben.