Mikrowelleneinflüsse auf Reaktionsfronten von Festkörperreaktionen

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Hesse
nengelernt haben, welches sich bei Anwendung eines elektrischen Feldes auf Reaktionssysteme
mit diffundierenden Spezies unterschiedlicher Beweglichkeit ausbilden
kann.
3.2. Mikrowellen-Einfluß auf Festkörperreaktionen
Für die Versuche wurde das System MgO-TiO 2 ausgewählt. MgO-Einkristalle mit
polierten (001)-Oberflächen wurden in einem Hochvakuumpumpstand mit etwa
100 nm dicken TiO 2 -Schichten bedampft. Dabei bildet sich je nach Verdampfungsmaterial,
Sauerstoffhintergrunddruck und Substrattemperatur eine amorphe
oder kristalline Schicht. Es gibt eine Reihe von Titanoxidphasen mit verschiedenen
Sauerstoffgehalten, vom TiO bis zum TiO 2 . Letzteres kann in den Kristallmodifikationen
Rutil, Anatas und Brookit kristallisieren. Bei unseren Versuchen entstanden
neben amorphem Oxid die kristallinen Phasen Ti 4 O 7 und TiO 2 (Anatas). Beim
Aufheizen an Luft können nun gleichzeitig mehrere Prozesse in der Schicht ablaufen,
nämlich (i) die Kristallisation des amorphen Oxids, (ii) die Sauerstoffaufnahme
von Ti 4 O 7 und (iii) die Umwandlung von Anatas zur Hochtemperaturphase
Rutil. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer chemischen Reaktion der
Schicht mit dem MgO-Substrat, wobei ab etwa 550 °C die Produkte MgTiO 3 und
Mg 2 TiO 4 (Spinell) entstehen können, wie wir aus früheren Untersuchungen mit
thermisch ausgelösten Reaktionen wissen.
Die ersten Mikrowellenheizversuche wurden in Zusammenarbeit mit Prof. Abicht
durchgeführt. Dort stand ein Hybridofen zur Verfügung, in dem Proben sowohl
konventionell durch Heizwendeln, als auch durch die Einspeisung von bis zu 5 kW
Mikrowellenleistung bei einer Frequenz von 2,45 GHz geheizt werden können. Die
verwendeten Einkristalle haben bei Zimmertemperatur nur sehr kleine
dielektrische Verluste und konnten in diesem Ofen daher nicht unter alleiniger
Benutzung der Mikrowellenleistung auf die erforderliche Temperatur oberhalb von
550°C erwärmt werden. Um eine bessere Vergleichbarkeit der Resultate zu ermöglichen,
wurde jeweils ein MgO-Einkristall von 10 x 10 x 2 mm 3 mit TiO 2
beschichtet und danach halbiert. In jede der Hälften wurde mit einem Ultraschallbohrer
ein 6 mm tiefes Loch gebohrt. Die Probe wurde auf die Spitze eines Mantelthermoelementes
gesteckt. Damit war eine direkte Messung der Probentemperatur
im Ofen möglich.
Die Proben wurden zuerst mit der konventionellen Heizung auf eine Starttemperatur
oberhalb von 500°C geheizt und dann die Mikrowellenleistung dazugeschaltet.
Ausgehend von 578°C wurden mit zusätzlicher Mikrowellenheizung 600°C er-