Christian Hagendorf

Oberflächenphysikalische Untersuchungen an ein- und polykristallinem BaTiO3
Morphologie, atomare und elektronische Struktur

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 05.07.2000

Abstract
Ein wesentlicher Teil des wissenschaftlichen und technologischen Interesses an BaTiO3 beruht auf seinen ferroelektrischen Eigenschaften und den Änderungen des elektrischen, optischen und mechanischen Materialverhaltens an den Phasenübergängen. Diese Eigenschaften werden stark von strukturellen, ferroelektrischen und defektinduzierten Merkmalen der Ober- und Grenzflächen beeinflusst. Die Präparation und oberflächenphysikalische Charakterisierung von definierten, einkristallinen BaTiO3-Oberflächen ist insofern eine wichtige Voraussetzung fur das Verständnis der Eigenschaften von dünnen Schichten und polykristallinem BaTiO3.
In dieser Arbeit wurden an BaTiO3(001)- und (111)-Oberflächen geeignete Präparationsverfahren (Ionenätzen, Tempern in reduzierender und oxidierender Atmosphäre) für oberflächenphysikalische Experimente entwickelt. Abhängig von den Präparationsbedingungen lassen sich verschiedene stöchiometrische und nicht stöchiometrische Rekonstruktionen beobachten. Es zeigt sich, dass deren Eigenschaften wesentlich durch die oberflächenspezifische beziehungsweise defektinduzierte O-Koordination der Kationen bestimmt werden. Ein besonderes Merkmal der nicht stöchiometrischen Rekonstruktionen auf BaTiO3(001) ist die Fernordnung von Ti3+-O-Leerstellenkomplexen. Die umfassende Charakterisierung von Einkristalloberflächen bildet in dieser Arbeit die Grundlage für erstmalige rastertunnelmikroskopische Untersuchungen von ferroelektrischen Domänen und Korngrenzen an polykristallinen BaTiO3-Oberflächen.
Zur Analyse der Oberflächen kamen abbildende Verfahren wie Raster-Tunnel- und Raster-Kraft-Mikroskopie (STM/AFM), Raster-Elektronen-Mikroskopie (SEM) und Raster-Augerelektronen-Mikroskopie (SAM) zum Einsatz. Elektronenspektroskopische Untersuchungen erfolgten mit Röntgen- und UV-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS/UPS) sowie Augerelektronen-Spektroskopie (AES). Weiterhin wurde die Streuspektroskopie langsamer Ionen (LEIS) und die Beugung langsamer Elektronen (LEED) verwendet.

The scientific and technological interest in BaTiO3 is due to its ferroelectric properties and the change of electrical, optical and mechanical properties at the phase transitions. These properties are strongly influenced by structural, ferroelectric and defect induced characteristics of surfaces and interfaces. The preparation and surface physical investigation of defined, single-crystalline BaTiO3-surfaces is an important precondition for understanding the properties of thin films and polycrystalline BaTiO3.
In this work preparation procedures for surface analytical experiments on BaTiO3 (ion sputtering, heating in reducing or oxidizing atmosphere) have been developed on single-crystalline (001)- and (111)-surfaces. Depending on the preparation conditions various stoichiometric and non stoichiometric reconstructions appear. Their properties are mainly determined by a surface specific or defect induced O-coordination of the cations. The long-range ordering of Ti3+-vacancy complexes was found to be an important feature of O-deficient reconstructions on BaTiO3(001). The comprehensive investigation of single- crystal surfaces provided the basic knowledge for first studies of ferroelectric domains and grain boundaries in polycrystalline BaTiO3 surfaces using scanning probe microscopy.
Imaging methods such as scanning tunneling and scanning force microscopy (STM/AFM) as well as scanning electron and scanning Augerelectron microscopy (SEM/SAM) were utilized for surface analysis. Electron spectroscopic investigations were carried out using x-ray and UV photoelectron spectroscopy (XPS/UPS) as well as Augerelectron spectroscopy (AES). Additionally low-energy ion scattering (LEIS) and low-energy electron diffraction (LEED) were employed.

Keywords:
Bariumtitanat, BaTiO3, Oberflächenstruktur, ferroelektrische Domänen, STM/ AFM, PES, AES/SAM, SEM, LEIS, LEED

Barium titanate, BaTiO3, Surface structure, Ferroelectric domains, STM/AFM, PES, AES/SAM, SEM, LEIS, LEED

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Inhaltsverzeichnis
Inhalt (5-6)
1 Einleitung (7-10)
2 Grundlagen (11-34)
3 Experimentelles (35-44)
4 Ergebnisse (45-132)
5 Zusammenfassung (133-136)
A Anhang (137-140)
Literatur (141-148)
Abkürzungen (149)