Struktur und Stabilität epitaktischer $CeO_{2}$ Schichten untersucht mit Röntgenbeugung unter streifendem Einfall
Creators: name: Arndt, Bjoern
Publisher: name: Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY, Hamburg
Year: 2014

description: Masterarbeit, University of Hamburg, 2014; 114 pp. (2014). = Masterarbeit, University of Hamburg, 2014
description: Die Struktur und Stabilität unter reduzierenden Bedingungen von 25 nm dünnen, 10 % Gd-dotieren CeO$_2$-Schichten auf Substraten aus Yttrium-Stabilisiertem Zirkonoxid in (110) und (111)-Oberflächenorientierung wurde untersucht. Dieses System ist zum einen für die Anwendung in Brennstoffzellen interessant, zum andern ist es aufgrund der schlechten Verfügbarkeit von CeO$_2$Einkristallen ein geeignetes Modellsystem, um die Vorgänge an der Oberfläche unter Reduktion zu beobachten. Dazu wurde jeweils eine Probe jeder Orientierung mittels Röntgenreflektivität und Rasterkraftmikroskopie untersucht, die (110)-orientierte Probe zusätzlich mit Röntgenbeugung unter streifendem Einfall. Beide Schichten waren in der Reflektivität nahezu atomar glatt mit Rauigkeiten im Bereich von 3-5 Å. In den AFM-Aufnahmen war eine flache, körnige Oberflächenstruktur erkennbar. Die aus der Reflektivität bestimmte Elektronendichte der (110)-orientierten Probe warum 7% niedriger als der Bulkwert, was durch nicht vollständig zusammengewachsene Schichten oder Punktdeffekte verursacht werden kann. Solche Strukturen waren in den AFM-Bildern nicht sichtbar. Der Film auf dem (110)-orientierten Substrat war des weiteren epitaktisch und nicht polykristal-lin mit Kristallitgrößen von 13-20 nm und einer Mosaizität von 1,7-1,9◦. Beide Proben wurden im Ultrahochvakuum für 100 min auf über 1100◦C erhitzt, um die Stabilität der Schichten bezüglich Reduktion unter diesen Bedingungen zu überprüfen. Beide Proben wurden mittels Röntgenreflektivität und Hochenergieröntgenbeugung unter streifendem Einfall untersucht. Die reziproken Mappen beider Schichten zeigten die Fluoritstruktur ohne Hinweise auf eine Phasenumwandlung. Die Gitterkonstanten beider Filme wurde bestimmt; die (110)-orientierte Probezeigte eine Expansion in der Ebene um 0,8 % gegenüber dem Bulkwert und im Mittel 1,51% gegenüber der vor dem Heizen gemessenen Gitterparameter, die (111)-orientierte Probe wies nach dem Heizen die gleiche Expansion des Gitterparameters auf. Dies kann auf die Reduktion zurückgeführt werden. Bei beiden Proben entsprach der Gitterparameter nach dem Heizen Senkrecht zur Oberfläche im Fehlerbereich dem Bulkwert. Zusätzlich wurden Crystal Truncation Rods der (110) Oberfläche simuliert, um die Änderung bei Reduktion zu untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass Crystal Truncation Rod Messun-gen sowohl sensitiv auf die Reduzierung nur weniger Einheitszellen an der Oberfläche sind, als auch zwischen verschiedenen Profilen der Sauerstoff konzentration in der Schicht unterscheiden können. Es wurde gezeigt, dass epitaktisches Wachstum auf YSZ für beide Orientierungen möglich ist, und  das  diese  Schichten  stabil  unter  reduzierenden  Bedingungen  sind.  Die  nächsten  Schritte wären die Verbesserung der Schichtqualität in Hinblick auf CTR-Messungen sowie in-situ Experimente zur Bestimmung des Sauerstoffprofiles in den Schichten unter variablen Bedingungen.