Oxidation und epitaktische Oxidation von Nickel und Nickellegierung

Abstract

Hochtexturierte supraleitende YBaCuO-Bänder können hergestellt werden, indem sie auf thermomechanisch texturierten Metallbändern (RABiTS) mit einer oxidischen Pufferschicht als Diffusionsbarriere epitaktisch abgeschieden werden. Eine interessante Möglichkeit die oxidische Pufferschicht herzustellen, bietet die Eigenoxidation (SOE) des RABiTS-Bandes. Dabei wird das RABiTS-Band gezielt so oxidiert, dass das Eigenoxid epitaktisch auf dem Substrat aufwächst. Anhand von Oxidationsexperimenten wird zunächst die sich auf Ni, NiCr und NiV RABiTS-Bändern bildende NiO-Schicht auf ihre Eignung als Pufferschicht für supraleitende Bänder untersucht. Schwerpunkt der Arbeit ist es schließlich die Mechanismen der Texturbildung während der epitaktischen Oxidation zu erklären. Dazu wurden Oxidationsexperimente an einkristallinen (100)-Nickelfilmen durchgeführt. Bei der Oxidation bildet sich das NiO in zwei unterschiedlichen Orientierungen, nämlich der NiO(100)- und der NiO(111)-Orientierung. Diese beiden Orientierungen wachsen epitaktisch auf. Das Verhältnis dieser beiden Anteile lässt sich über die Oxidationsrate, welche von der Temperatur und dem Sauerstoffpartialdruck abhängt, beeinflussen. Bei hoher Oxidationsrate wird hauptsächlich die NiO(111) Orientierung und bei niedriger Oxidationsrate hauptsächlich die NiO(100) Orientierung beobachtet. Mittels in-situ Röntgenmessungen wurde die zeitliche Entwicklung der beiden Anteile untersucht und anhand dieser Messungen ein Modell entwickelt, das die Mechanismen der epitaktischen Oxidation beschreibt. Danach kann die epitaktische Oxidation in drei Wachstumsphasen unterteilt werden, die durch zwei kritische Schichtdicken beschrieben werden. In der Frühphase bildet sich eine nahezu einkristalline (111)-orientierte NiO-Anfangsschicht. Diese Anfangsschicht ist bis zu einer kritischen Schichtdicke stabil. In der zweiten Phase wandelt sich die NiO(111)-Orientierung in die NiO(100)-Orientierung um. Diese Umwandlungsreaktion ist bei einer zweiten kritischen Schichtdicke beendet. In der letzten Phase findet nun nur noch epitaktisches Wachsen über Korngrenzendiffusion statt. Dabei bleiben sowohl die Güte der Textur als auch die Volumenanteile der verschieden orientierten Anteile konstant. Das Verhältnis der unterschiedlich orientierten Anteile hängt deshalb vom Verhältnis der Umwandlungsgeschwindigkeit zur Oxidationsrate ab. Mögliche treibende Kräfte für die Orientierungsumwandlung werden diskutiert.