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

5 Experimentelle Ergebnisse
In diesem Abschnitt werden die experimentellen Ergebnisse vorgestellt. Die Eisenoxidschichten
wurden mit zwei Methoden, die in den Abschnitten 4.2.3 und 4.2.4 beschrieben wurden,
hergestellt. Bei der einen Methode wird zunächst eine Eisenschicht auf MgO hergestellt, die
anschließend in einer Sauerstoffatmosphäre oxidiert wird. Die zweite Methode ist das reaktive
Aufdampfen einer Eisenoxidschicht. Um die beiden Methoden zu vergleichen, wurden mit
ihnen jeweils eine Probe bei Raumtemperatur, bei 373 K, bei 473 K und bei 573 K präpariert.
Damit wurden im Rahmen dieser Arbeit acht Proben hergestellt. Die Nachbehandlung der
Eisenschichten mit Sauerstoff wurde schrittweise durchgeführt. Dabei dauerte ein Schritt immer
1 h. Die reaktiv aufgedampften Eisenoxidschichten waren in wenigen Minuten fertig.
Als Sauerstoffpartialdruck wurde immer 1 · 10 −6 mbar verwendet. Die Aufdampfrate betrug
immer 5 Hz/s. Bei der XPS-Untersuchung wurde zunächst ein Übersichtspektrum über den
Energiebereich von EB = 1350 eV bis EB = 0 eV aufgenommen. Anschließend wurden die für
Eisenoxid interessanten Peaks Fe 2p, Fe 3s, Fe 3p und O 1s detaillierter untersucht. Aufgrund
des schlechten Signal/Rausch-Verhältnisses des Fe 3s-Peaks wurden nur der Fe 2p-, der Fe
3p- und der O 1s-Peak genauer analysiert.
XPS-Messungen an isolierenden Materialien wie MgO führen häufig zu Aufladungseffekten
in der Probe. Dabei entsteht ein zusätzliches Potential im Festkörper, durch das sich die
Bindungsenergie der Orbitale verschiebt. Die Aufladungseffekte sind dadurch zu erklären,
dass die entstehenden Löcher in den Orbitalen nicht durch andere Elektronen der Probe ausgeglichen
werden können. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Bindungsenergie aller
Orbitale um den gleichen Wert verschiebt. Um den Aufladungseffekt auszugleichen muss das
aufgenommene Spektrum kalibriert werden. Dazu wird die gemessene Bindungsenergie eines
Orbitals seinem Literaturwert zugeordnet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der O 1s-Peak
als Referenz gewählt, da Sauerstoff sowohl in MgO als auch in den Eisenoxiden als O 2− -Ion
vorkommt. Daher ist die Bindungsenergie der O 1s-Elektronen in diesen beiden Materialien
als annähernd konstant. In der Literatur ist für die Elektronen im O 1s-Orbital der Sauerstoffionen
in Eisenoxid eine Bindungsenergie von EB,Lit = 529,9 eV [10, 25–27] gegeben. Die
Verschiebung betrug bei den meisten Proben etwa 10 eV.
5.1 Quantitative Analyse der XPS-Spektren
Die quantitative Auswertung erfolgte sowohl am Fe 3p- als auch am Fe 2p-Peak. Der Fe 3p-
Peak wurde mit der Software CasaXPS der Firma Casa Software Ltd. ausgewertet. Der Fe
2p-Peak wurde mit einem selbst geschriebenen Matlab-Skript rekonstruiert. Bei beiden Verfahren
wird zunächst der inelastische Untergrund vom gemessenen Spektrum entfernt, um
das Primärspektrum zu erhalten. Dazu wird manuell ein Energieintervall im XPS-Spektrum
gewählt, in dem der Untergrund abgezogen werden soll. Im Rahmen dieser Arbeit wurde
der Shirley-Algorithmus (siehe Gleichung 2.14) verwendet, um den inelastischen Untergrund
zu berechnen. Die Grenzen des Energieintervalls müssen dabei so gewählt werden, dass das
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