Oxidation von Eisenschichten auf MgO(001)-Substraten - Universität ...

3.3 Eisenoxide 3. Materialsystem
3.3 Eisenoxide
Es gibt drei verschiedene Klassen von Eisenoxiden: Eisen(II)-Oxid, Eisen(II,III)-Oxid und
Eisen(III)-Oxid. Die Unterschiede bestehen in der stöchiometrischen Zusammensetzung, der
Wertigkeit der Eisenionen und der kristallographischen Struktur. Die Wertigkeit des Sauerstoffions
ist bei allen Klassen zweifach negativ (O2−).
3.3.1 FeO (Wüstit)
Wüstit ist eine nichtstöchiometrische Eisenverbindung, die mit der Summenformel Fe1−δO
beschrieben wird. Es kristallisiert genau wie MgO in der NaCl-Struktur mit einer Gitterkonstanten
von aF eO = 4,332 ˚ A. Die Einheitszelle der Oberfläche kann analog zu der von
Magnesiumoxid definiert werden. Bei δ > 0 fehlen Fe 2+ -Ionen im Fe 2+ -Ionengitter und es
liegt ein Sauerstoffionenüberschuss vor. Das dadurch verursachte Defizit an positiver Ladung
wird durch Fe 3+ -Ionen ausgeglichen. Wüstit ist unterhalb einer Temperatur von T = 833 K
an Luft metastabil und disproportioniert in α-Fe und Fe3O4(Magnetit). Es ist bei Raumtemperatur
paramagnetisch und wird unterhalb von 210 K antiferromagnetisch. Die Fe 2+ -Ionen
weisen eine Elektronenkofiguration von [Ar]3d 6 auf.
3.3.2 Fe3O4 (Magnetit)
Magnetit hat die Summenformel Fe3O4 und gehört zur Klasse der Eisen(II,III)-Oxide. Es ist
ein ferrimagnetisches Material mit einer Curie-Temperatur von 858 K. Magnetit kristallisiert
in der so genannten inversen Spinell-Struktur und kann nach der allgemeinen Formel für Spinelle
AB2O4 als Fe 3+ [Fe 2+ Fe 3+ ]O4 geschrieben werden. Spinellstrukturen bestehen allgemein
aus einem kubisch flächenzentrierten Oxidionengitter, bei dem die Hälfte der Oktaeder- und
ein Achtel der Tetraederlücken durch Metallkationen besetzt sind. Bei einer normalen Spinellstruktur
AB2O4 befinden sich alle A-Kationen in Tetraederlücken und alle B-Kationen in
Oktaederlücken. Die Bezeichnung inverse Spinell-Struktur wird verwendet, da sich die Fe 3+ -
Ionen (B) zur Hälfte auf Tetraederlücken und Oktaederlücken verteilen. Die Fe 2+ -Ionen (A)
befinden sich in den restlichen Oktaederlücken (siehe Abbildung 3.4).
Abbildung 3.4: Magnetit-Bulk-Einheitszelle. Entnommen aus [23]
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