The effect of Si and Y additives on the phase stability of Al 2 O 3 thin films

  • Der Effekt von Si- und Y-Additiven auf die Phasenstabilität von Al2O3-Dünnschichten

Nahif, Farwah; Schneider, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Shaker (2014)
Doktorarbeit

In: Materials chemistry dissertation 2014,23
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIV, 92 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Si und Y Legierung auf die Phasenstabilität von Al2O3 Polymorphen anhand von ab initio Berechnungen und Experimenten untersucht. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Einflusses von Si- Additiven auf die Phasenstabilität von Al2O3 Polymorphen. Unter Einsatz der Dichtefunktionaltheorie wurde der Effekt von 0 bis 5 at.-% Si auf die Stabilität und die elektronische Struktur von gamma- and alpha-Al2O3 untersucht. Die Al-Kationen in der gamma- and alpha-Al2O3 Phase wurden dabei durch die entsprechende Anzahl Si-Kationen ersetzt. Innerhalb der gamma-Phase wurden die Si-Kationen sowohl auf tetraedrischen als auch oktaedrischen Gitterplätzen angeordnet. Die Berechnungen für (Al,Si)2O3 prognostizieren eine spontanen Entmischung in alpha-/gamma-Al2O3 and SiO2. Daher ist die Bildung einer metastabilen gamma-(Al,Si)2O3 nur während eines Nicht-Gleichgewichts-Prozesses, wenn die Entmischung kinetisch gehindert ist, zu erwarten. Die Si-induzierten Stabilitätsänderungen der Mischphase können basierend auf der elektronischen Struktur verstanden werden: Eine Erhöhung der Si-Konzentration führt zu der Bildung von steifen Si-O Bindungen, die somit zu der beobachteten Stabilität der gamma;-Phase führen. Darüber hinaus wurde der Effekt von Si-Additiven auf die Phasenumwandlung und Umwandlungstemperaturen von Al2O3 Dünnschichten welche mittels des gefilterten Lichtbogenverfahrens synthetisiert wurden, anhand von Heizversuchen, untersucht. Durch den Zusatz von Si wurde die Umwandlung von gamma- zu delta- und theta-Al2O3 um 100°C verzögert. Die thermische Stabilität der delta- and theta-Phasen wurde, im Vergleich zu den unlegierten Al2O3 Dünnschichten um größer-gleich 200°C erhöht und die Bildung von alpha-Al2O3 um 200°C verzögert. Basierend auf den, durch die Si-Zugabe, beobachteten Änderungen in der Phasenbildung, Kristallitgröße und Bindungszuständen erscheint es wahrscheinlich, daß die Si-induzierte Stabilitätserhöhung der metastabilen gamma-/delta- and theta-Al2O3 Phasen und die verzögerte alpha-Al2O3 Bildung durch die Seigerung von SiO2 an den Korngrenzen zu erklären ist. Eine substituierende Einbindung von Si auf Al-Gitterplätzen in der Al2O3 Struktur erscheint anhand der gelieferten XPS Ergebnisse unwahrscheinlich. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von 0.6 bis 7.5 at.-% Y anhand von Dichtefunktionaltheorie und Heizexperimenten auf die Stabilität und die Morphologie von Al2O3 Dünnschichten untersucht. Die Berechnungsergebnisse deuten eine spontane Entmischung der Y legierten gamma- and alpha-Al2O3 Mischung in Y2O3 und den entsprechenden Alumina-Phasen an. Diese Prognose stimmt mit der experimentellen Beobachtung überein: Die Gitterparameter der unlegierten und Y legierten gamma-Al2O3 Dünnschichten sind vergleichbar und weisen somit keine Übereinstimmung mit der, für die Einbindung von Y in die gamma-Phase, prognostizierten Expansion des Gleichgewichtsvolumens auf. Der metastabile Charakter von gamma-(Al,Y)2O3 stimmt darüber hinaus mit der, anhand von Röntgendiffraktometrie identifizierten Bildung von gamma-Al2O3, Y2O3, und Y3Al5O12 im abgeschiedenen Zustand überein. Während die Phasenumwandlung der unlegierten gamma-Al2O3 zu alpha-Al2O3 Phase bei 1000°C stattfindet, wird die gamma- zu alpha-Al2O3 Phasenumwandlung für Y legierten Alumina-Dünnschichten bis 1200°C verzögert und eine zusätzliche Bildung von YAlO3 und Y3Al5O12 beobachtet. Die, um 100°C kleiner-gleich T kleiner-gleich 200°C verzögerte gamma- zu alpha-Al2O3 Phasenumwandlung kann anhand von Y Seigerungen entlang der metastabilen Al2O3 Korngrenzen erklärt werden, wodurch Massentransport gehemmt wird und somit Kornwachstum und die alpha-Al2O3 Bildung verzögert werden. Darüber hinaus wurde die Phasenbildung von 1.9 bis 7 at.-% Y legierten Al2O3 Dünnschichten untersucht, die mittels gefiltertem Lichtbogenverfahrens bei einer Substrattemperatur von 650°C und einer bipolar gepulsten DC- Substratvorspannung von - 130 V synthetisiert wurden. Anhand von Röntgendiffraktometrie und Transmissions-Elektronen-Mikroskopie-Analyse wurde die Bildung von YAlO3 and Y3Al5O12 innerhalb einer amorphen Matrix für Y Konzentrationen größer-gleich 1.9 at.-% beobachtet. Die Bildung dieser Yttriumaluminat-Ausfällung bei 650°C verdeutlicht das Potential von Synthesetechniken, basierend auf Ionenbeschuss durch die schichtbildenden Spezies, für die Niedrig-Temperatur-Synthese von Yttriumaluminat-Phasen, deren Bulk-Synthese üblicherweise bei 1600°C beobachtet wird.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]

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