Optische Dom¨ anen, Ridges und Lubrication-walls

Nanokristalline Y-Schichten sind nach Kremers et al.[KRE98] optisch homogen und zeigen einen homogenen ¨Ubergang in die transparente Phase. Kerssemakers et al.

[KER00] haben gefunden, dass in epitaktischen Y-Schichten, die auf CaF2-Substraten deponiert werden,[NAG99] Dom¨anen auftreten, die einzeln schalten, d.h. deren op-tische Transparenz sich innerhalb einer Dom¨ane schlagartig ¨andert.[KER00] Die-ses Dom¨anenmuster besteht aus Mikrometer großen dreieckigen Dom¨anen.[NAG99, KER00] Sie werden berandet von einem sogenannnten ’self-organized ridge network’.

Dieses Netzwerk zeigt ebenfalls eine optisch ver¨anderte Erscheinung: w¨ahrend sich ein Großteil der epitaktischen Schicht bereits in der transparenten Trihydridphase befindet, verharren ’Ridges’ im Dihydrid. Grier et al. [GRI00] berichten auch von

’Rigdes’, die bei der H-Beladung von epitaktischen Ho-Schichten auftreten, gestreck-te dreieckige Strukturen, die etwa 300 nm breit un d 20-30 nm hoch sind. Die Dicke

6 Wasserstoff in d¨unnen Schichten

der Ho-Schicht betrug dabei ebenfalls 300 nm. Grier et al. ordnen dies Ridge-Bildung der Ausscheidung der jeweils anderen Phase zu. Ridges in Y-H-Schichten sind, nach Kerssemakers,[KER00] ¨uber das Grundniveau erhobene Gebiete der Schicht, die langgestreckt sind, als H-Diffusionsbarrieren wirken und als ’lubrications walls’. Auf-grund der 9,3%-igen vertikalen Expansion der Dom¨anen regen Kerssemakers et al.

[KER00] an, diese als mikromechanische Schalter einzusetzen. Die ’Ridge’h¨ohe und ihr typischer Abstand nimmt linear mit der Schichtdicke zu. ’Ridges’ r¨uhren nach Kerssemakers [KER00] von verzwillingten Gebieten her, die bei der fcc-hcp Phasen-umwandlung entstehen.[HAY98] Charakertistisch sei der typische Zwillingswinkel des hexagonalen Gitters von 5.6^◦ ,[KER00] der sich an der Oberfl¨ache abzeichnet.

Eine Kombination unserer Resultate der Spannungs- und Dehnungsmessungen mit den Ergebnissen aus Kap. 6.2.2 ergibt eine etwas andere Interpretation der STM-Aufnahmen von Kerssemakers et al. oder Grier et al. ¨Ubertragen wir die an d¨unnen epitaktischen Gd-Schichten gefundenen Resultate auf die vergleichsweise dicken epitaktischen Y-Schichten, so findet plastische Verformung und Misfitverset-zungsbildung bei H-Beladung statt, die zur Bildung von Gleitstufen- bzw. Gleitstu-fengruppen f¨uhrt. F¨ur die vorliegende Schichtgeometrie sollten diese in der kubischen Dihydridphase in (110)-Richtungen liegen und 60^◦ - Winkel untereinander zeigen.

Die mobilen Versetzungen k¨onnen sich ¨uber ihre Spannungsfelder gegenseitig be-einflussen und an der Bewegung behindern.[HAA94] Dies kann dazu f¨uhren, dass ihre Spuren an der Oberfl¨ache, die Gleitstufen an Gleitstufen anderer Richtungen enden, wie Abb.3 in Ref.[KER00] zeigt. Dadurch bildet sich ein ¨uber dem Grund-niveau der Schicht erhobenes Dreiecksmuster. Bei dem Auftreten von Gleitstufen-gruppen, wie sie in Abb. 6.19 zu sehen sind, k¨onnen massive H¨ohenunterschiede zwischen dem Grundniveau und der Gleitstufengruppe auftreten. Wir interpretieren die ’Ridges’ somit als Gleitstufengruppen.[TMR00] Im Gegensatz zu Kerssemakers Interpretation bietet diese Interpretation den Vorteil, dass auch das besondere Ver-halten der ’Ridges’ zu verstehen ist. Unter den Gleitstufengruppen sind Misfitver-setzungen lokalisiert, die durch ihre Kompressions- und Dilatationsfelder nahe des Versetzungskernes, nach dem im Kapitel 3.4 diskutierten, ver¨anderte H-L¨oslichkeiten und Diffusivit¨aten gegen¨uber der Matrix aufweisen. Sie k¨onnen im Niedrigkonzen-trationsbereich als Diffusionskan¨ale f¨ur H dienen mit lokal erh¨ohter H-L¨oslichkeit, im Hochkonzentrationsbereich der Trihydridphase dagegen sind sie als lokal erniedrigte Bereiche sichtbar.

Im Zweiphasengebiet werden sich die Trihydridausscheidungen bevorzugt an De-fekten, wie Versetzungen bilden. Die Keime wachsen von Versetzungen (’Ridges’) aus und bei der Phasenumwandlung des Dihydrides in das Trihydrid findet bei (0001)-texturierten Schichten die starke vertikale Expansion statt, die vorne be-reits angesprochen wurde. Spannungen zwischen Keim und Matrix werden zu einem bevorzugten Bilden einer den Zwischenbereich f¨ullenden Ausscheidung f¨uhren. Da das Misfitversetzungsnetzwerk vor allem w¨ahrend der H-Beladung der Schicht in das kubisch fl¨achenzentrierte Dihydid stattfindet (siehe Abs. 6.2.2), oberhalb dessen sich Zug- und Druckspannungen fast die Waage halten (vgl. Abb. 6.22) , ist das Netzwerk relativ stabil und die Phasenumwandlung kann ¨ahnlich in aufeinanderfol-genden Zyklen beobachtet werden.

6.2 Verhalten unterschiedlicher M-H-Schichten

Die in diesem Kapitel gezeigten Ergebnisse an haftenden Schichten zeigen , dass unter H-Aufnahme entstehende Spannungen das thermodynamische Verhalten der Schichten zum Teil deutlich gegen¨uber dem massiver Proben ver¨andern kann. Die Mikrostruktur der Proben hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die sich ent-wickelnden Spannungen und Phasengrenzen. Schichtdickeneinfl¨usse machen sich im Rahmen unserer Untersuchungen derart bemerkbar, dass spannungsrelaxierende Me-chansimen schichtdickenabh¨angig einsetzen und damit zu verschiedenen Spannungen f¨uhren. Ein extremes Beipiel liefte in diesem Zusammenhang eine Nb-Schicht, die mit einer Oxidschicht abgeschlossen war. Hier wurde eine Randl¨oslichkeit von 0,25 H/Nb gemessen. Phasendiagramme von M-H-Schichten h¨angen demnach empfind-lich von der Mikrostruktur und dem Spannungsrelaxationsverm¨ogen der Schichten ab. Hinweise auf reine Schichtdicken-Effekte, wie sie von Zabel et al. [SON99] be-schrieben werden, konnten in unseren Messungen bislang nicht gefunden werden.²⁹

Im folgenden Kapitel werden Untersuchungen zur H-Beladung an Schichtpaketen vorgestellt, bei denen die Einzelschichtdicke ebenfalls sehr gering ist. Wie Yang et al.[YAN96] gezeigt haben, l¨asst sich das Ausdehnungsverhalten von Pd/Nb Schicht-paketen im Sinne des linear elastischen Modells gut beschreiben. Die Phasengrenzen sind ebenfalls stark verschoben,³⁰ im Einklang mit dem oben entwickleten Modell.

Im folgenden Kapitel werden daher insbesondere Untersuchungen vorgestellt, die sich mit an Grenzfl¨achen auftretenden Effekten besch¨aftigen.

29Dornheim untersucht momentan Spannungen und Phasengrenzen von epitaktischen 20 nm Nb-H-Schichten auf Saphir und nanokristallinen 20 nm Nb-H-Nb-H-Schichten auf Polycarbonat. Wir hoffen, anhand dieser Schichten in den Bereich der reinen Skalierungseffekte vorzudringen.

30In einem laserdeponierten Pd/Nb-Schichtpaket mit Λ=28 nm wird eine Randl¨oslichkeit von 0,20 H/Nb erreicht.[YAN96]

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