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

7 Zusammenfassung und Ausblick
Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit zwei verschiedenen Methoden Eisenoxid hergestellt. Bei
der einen Methode wurde die Oxidation von Eisenschichten auf MgO(001)-Substraten untersucht.
Dafür wurde zunächst eine Eisenschicht mittels Molekularstrahlepitaxie bei Raumtemperatur
(RT) auf das Substrat aufgedampft und anschließend mehrere Male eine Stunde lang
in einer dünnen Sauerstoffatmosphäre (p (O2) = 1 · 10 −6 ) nachbehandelt. Um den Einfluss
der Temperatur auf die Oxidation zu untersuchen, wurde dieser Vorgang bei verschiedenen
Temperaturen(RT, 373 K, 473 K und 573 K) durchgeführt. Nach jedem Schritt wurde die
Schicht untersucht.
Bei der zweiten Methode wurde Eisen in einer dünnen Sauerstoffatmosphäre reaktiv auf das
MgO(001)-Substrat gedampft. Dabei wurde der Einfluss der Temperatur auf das Wachstum
untersucht, indem das Eisenoxid bei unterschiedlichen Substrattemperaturen (RT, 373 K, 473
K und 573 K) aufgedampft wird.
Die Eisenoxidschichten wurden mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht,
um die stöchiometrische Zusammensetzung zu bestimmen. Außerdem wurden LEED-Messungen
(engl. Low Energy Electron Diffraction) durchgeführt, um die Oberflächenmorphologie
zu untersuchen.
Die Konzentrationsverhältnisse von Fe 0 , Fe 2+ ,Fe 3+ und O 2− der hergestellten Eisenoxide
wurde durch die Rekonstruktion des Fe 2p- und des Fe 3p-Peaks bestimmt. Bei der ersten
Herstellungsmethode wurde herausgefunden, dass die Oxidation der Eisenschichten in
einer Sauerstoffatmosphäre unabhängig von der eingesetzten Temperatur zu der Entstehung
von Eisenoxid führt. Dabei wurde festgestellt, dass Eisenschichten bei hohen Temperaturen
stärker und schneller oxidieren als bei niedrigen Temperaturen. Während bei RT und 373
K die Oxidation der Eisenschicht bereits nach wenigen Behandlungsschritten stagniert, wird
sie bei höheren Temperaturen (473 K, 573 K) unter der Bildung von Fe 3+ -Ionen vollständig
oxidert. Die Fe 2p-Spektren der bei 473 K und 573 K oxidierten Eisenschichten weisen den
für Fe 3+ -Ionen typischen Satelliten auf. Die Bestimmung des Sauerstoffanteils nach jedem
Behandlungsschritt hat ergeben, dass der Sauerstoffanteil nach der ersten Behandlung unabhängig
von der Temperatur nahezu gleich bleibt. Es wurde festgestellt, dass der Fe 2+ -Anteil
in den Eisenschichten durch das Tempern ohne Sauerstoff bei 573 K stark ansteigt. In den
dazugehörigen Fe 2p-Spektren konnte der für Fe 2+ -Ionen typische Satellit beobachtet werden.
Außerdem wurde bei Temperaturen ab 473 K eine Zunahme des Mg 2+ -Anteils in den Eisenoxidschichten
und das Auftreten eines Mg 1s-Signals beobachtet, was auf eine Diffusion von
Mg 2+ -Ionen aus dem Substrat an die Oberfläche hindeutet. Die schärfer werdenden Reflexe
bei den LEED-Messungen haben zudem gezeigt, dass die Kristallinität der Schichten bei der
Behandlung mit hoher Temperatur immer mehr zunimmt. Während bei der Eisenschicht, die
bei RT oxidiert wurde, nach dem letzten Oxidationsschritt keine Reflexe auf dem Beugungsbild
zu sehen sind, weist die Eisenschicht, die bei 373 K oxidiert wurde, undeutliche nicht
zuzuordnende Reflexe auf. Die mit 473 K nachbehandelten Schicht hat nach dem letzten
Behandlungsschritt eine (2×1)-Struktur in zwei Domänen. Diese Struktur kann keiner Eisenoxidphase
zugeordnet werden. Das Beugungsbild der bei 573 K oxidierten Schicht zeigt die
deutlichsten Reflexe. Sie bilden eine (2×2)-Struktur, die eine ( √ 2 × √ 2)R45 ◦ -Überstruktur
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