Perovskitische Keramiken und dünne Filme - Untersuchungen mit oberflächenanalytischen Methoden

Abstract

Die ferroelektrischen Eigenschaften perovskitischer Materialien sind die Grundlage für Anwendungen wie nichtflüchtige Speicher und temperaturabhängige Bauelemente. Mit den oberflächenphysikalischen Untersuchungen dieser Arbeit wurde das grundlegende Verständnis von Perovskiten erweitert, vor allem bezüglich ihrer Leitfähigkeit und chemischen Zusammensetzung an der Oberfläche. An Lanthan-dotierten Bariumtitanatkeramiken wurde die Leitfähigkeit auf Nanometerskala durch Rasterkraftmikroskopie mit Strommessung (conductive AFM/c-AFM) bestimmt. Im Rahmen des erstmaligen Einsatzes der Methode des c-AFM wurden zunächst atomar glatte Oberflächen von Modellsystemen untersucht (Ni(111), Au(111) und Si(100)). Bei Bariumtitanatkeramiken konnten Mechanismen für die Kontraste in den Strombildern auf den Terrassen von Körnern und zwischen verschiedenen Körnern gefunden werden. Hervorzuheben sind die Abbildung Titan-reicher Segregationen, Schreibeffekte durch wiederholtes Rastern sowie die Abbildung ferroelektrischer Domänen über ihre Leitfähigkeitsunterschiede. Bei dünnen Bismuth-Lanthan-Titanat-Filmen verschiedener Orientierung wurden Aufladungseffekte bei der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) genutzt, um kontaktlos die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit zu verfolgen. Die chemische Zusammensetzung der Oberflächen und deren Abhängigkeit von der Präparation (Sputtern mit Ar+ Ionen und Tempern in O2) wurden aus der Intensität von Photoemissionslinien bestimmt. Als deutlichster Effekt wurde eine Erniedrigung des Bismuth-Anteils durch Sputtern beobachtet. Zusätzliche Schultern in den Photoemissionslinien zeigten darüber hinaus eine sputterinduzierte Reduktion des Bismuth.

The ferroelectric properties of perovskite materials are the basis for technical applications like non-volatile computer memories and temperature dependent components. In this thesis, the basic understanding of perovskits, especially in terms of conductivity and chemical composition at the surface, was extended by using surface analysis methods. On lanthanum-doped barium titanat ceramics the conductivity on nanometer scale was determined by means of atomic force microscopy with current measurement (conductive AFM/c-AFM). First, c-AFM as methode was characterised on atomic flat surfaces of model systems (Ni111), Au(111) and Si(100)). On barium titanat ceramics mechanisms of contrast in current maps on terraces of grains and between different grains were found. The mapping of titanium-rich segregations, writing effects by mean of repeated scanning and mapping of ferroelectric domains by differences in the conductivity are to emphasize. On thin bismuth lanthanum titanate films of different orientation charging effects in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used for a contact-free proof of the dependency of conductivity on temperature. The chemical composition of the surfaces and their dependency on the preparation (Ar+ sputtering and heating in O2) were obtained from the intensity of photoemission lines. The most prominent effect was a reduction of the bismuth content due to sputtering. Additional shoulders in the emission lines showed a sputter-induced reduction of bismuth.