Doktorarbeit_Mairoser.pdf - OPUS - Universität Augsburg

10.5. Schichtdicken- und Temperaturabhängigkeit des Reduktionsprozesses
10.5. Schichtdicken- und Temperaturabhängigkeit des
Reduktionsprozesses
Nach der thermodynamischen Begründung, dass bei der Reduktion von Eu 2 O 3 durch
Ti ausschließlich EuO entsteht, wird im Folgenden die Temperaturabhängigkeit dieses
Prozesses betrachtet. Nach Tabelle 10.4 läuft die Reaktion aus thermodynamischer
Sicht bereits bei Raumtemperatur spontan ab. Zur Verifizierung wurde ein Eu 2 O 3 -
Film bei einer Substrattemperatur von etwa 580 ◦ C gewachsen. Nach der Deposition
wurde die Probe in der Vakuumkammer für etwa 11 Stunden abgekühlt, sodass die
Probentemperatur identisch mit der Raumtemperatur war. Im Anschluss daran wurde
Ti deponiert. Für diese Probe zeigt sich eine Curie-Temperatur von 14 K, was für
die Bildung von EuO selbst bei diesen niedrigen Temperaturen spricht. Durch den
Vergleich mit den gemessenen Curie-Temperaturen dünner EuO-Filme aus Abbildung
8.2 lässt sich die so gebildete Schichtdicke zu maximal 1 nm abschätzen.
Werden dagegen Substrattemperatur von 580 ◦ C für den Reduktionsprozess verwendet,
können auch Filme mit einer Dicke von etwa 60 nm komplett reduziert werden. 22
Für 10 nm dicke Filme wird ein Heizerstrom von etwa 1 A für eine vollständige Reduktion
benötigt. Da das verwendete Pyrometer erst Temperaturen ab 300 ◦ C misst, kann
hierfür keine Substrattemperatur angegeben werden. Diese dürfte aber im Bereich von
etwa 150 ◦ C liegen.
Die thermodynamischen Betrachtungen im letzten Abschnitt deuten auf eine reine
Festkörperreaktion für den Prozess Eu 2 O 3 + Ti −→ 2 EuO + TiO hin, da der Eu 2 O 3 -
Film vor dem Ti-Sputtern bereits vorliegt und eine Reaktion mit festem Ti der mit
gasförmigem thermodynamisch bevorzugt ist. Betrachtet man die Reaktionsgleichung
genauer, stellt man fest, dass ein Sauerstoffion aus dem Eu 2 O 3 -Film zur Ti-Schicht
transportiert werden oder umgekehrt Ti in den Film diffundieren muss. Der letztere
Prozess findet aber nicht statt, was an den STEM-Aufnahmen in den Abbildungen
10.9 und 10.11 ersichtlich ist. Der Übergang zwischen Ti und EuO-Film ist relativ
scharf. Weiterhin wäre eindiffundierendes Ti anhand einer Störung der regelmäßigen
Anordnung der Eu-Atome in der STEM-Aufnahme sichtbar und die Gitterkonstante
würde sich ändern. Da diese beiden Phänomene aber nicht auftreten, kann die Ti-
Diffusion in den Eu 2 O 3 -Film zur Durchführung der Reduktionsreaktion ausgeschlossen
werden. Somit ist die Diffusion von Sauerstoff aus dem Film der entscheidende
Faktor für den EuO-Filmherstellungsprozess. Untermauert wird dies von der Temperaturabhängigkeit
der EuO-Herstellung. Laut den thermodynamischen Berechnungen
(Tabelle 10.4) wäre die Reaktion für tiefe Temperaturen sogar bevorzugt. Sie tritt
allerdings erst bei höheren Temperaturen verstärkt auf (mögliche EuO-Filmdicke bei
Raumtemperatur weniger als 1 nm; bei 580 ◦ C mindestens 60 nm). Der Grund dafür ist
22 Bei der betrachteten Probe (THM_EuO_225) betrug die Depositionsdauer für Eu 2 O 3 2 h bei
denselben Parametern wie bei der Deposition von Probe THM_EuO_52. Nach Tabelle 10.2 beträgt
deren Dicke 9,8 nm bei einer Depositionszeit von 20 Minuten.
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