Analyse von hochkapazitiven Festelektrolytkondensatoren auf der Basis von Nb2O5 mit Elektronenenergieverlustspektroskopie im Transmissionselektronenmikroskop
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurden umfangreiche und detaillierte Daten über Valenzelektronen- bzw. Plasmonenanregungen sowie über die kantennahen Feinstrukturen der Niob-N2,3-, M4,5-, M2,3-, M1- und L2,3-Kanten sowie der O-K-Kante von Nb, NbO, NbO2 und Nb2O5 gesammelt. In diesem Zusammenhang konnte auch eine klare Abhängigkeit der chemischen Verschiebung der unterschiedlichen Ionsiationskanten von der Oxidationsstufe nachgewiesen werden. Da eine absolute Messung der chemischen Verschiebung durch Instabilitäten bei der Versuchsdurchführung erschwert sein kann, wurde ein Verfahren verwendet, welches als Maß den relativen energetischen Abstand zwischen den Nb-M23- und O-Kanten hat. Die verschiedenen Oxide des Niobs lassen sich eindeutig anhand der quantitativen Auswertung von EEL-Spektren identifizieren, wobei ein relativer Fehler von zum Teil kleiner als 2 % erzielt wurde. Die Anwendbarkeit der von den Referenzmaterialien erzielten Ergebnissen (Feinstrukturen der verschiedenen spektralen Merkmale, kNb,OFaktoren) zur Charakterisierung von Kondensatorstrukturen auf der Basis von Nb mit einer lateralen Auflösung im Nanometerbereich wurde klar aufgezeigt. Diesbezüglich konnte nachgewiesen werden, dass je nach Wärmebehandlung die dielektrischen Nioboxidschichten über weite Schichtbereiche relativ homogen sind, jedoch in jedem Falle geringfügig an Sauerstoff verarmt vorliegen. Da Sauerstoffleerstellen als Donatoren wirken, ist mit der Sauerstoffunterstöchiometrie ein Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit verbunden, welche die hohen Leckströme der Kondensatoren erklären kann. Die nachgewiesene Sauerstoff-Unterstöchiometrie nimmt mit steigender Temperatur bei der Wärmebehandlung zu (Nb2O4.96±0.07 unmittelbar nach der Kondensatorherstellung, Nb2O4.93±0.11 nach einer Wärmebehandlung bei 300 °C für 5 h und Nb2O4.90±0.10 im Falle von 350 °C für 1 h). Der chemische Übergang zwischen Anode und Oxidschicht kann entweder scharf oder kontinuierlich verlaufen – im Falle der bei 350 ° wärmebehandelten Probe wurden mitunter kristalline Zwischenschichten mit einer Breite von ca. 15 nm gefunden, deren Zusammensetzung in etwa NbO2 entspricht.
Publications
- D. Bach, H. Störmer, D. Gerthsen, EELS investigation of different niobium oxide phases, Proceedings of EMC 2004, The thirteenth European Microscopy Congress, Antwerp (Belgium), August 22-27, 2004
- D. Bach, H. Störmer, D. Gerthsen, J. Verbeeck, EELS investigation of different niobium oxide phases, International EELS Workshop "EDGE2005", Grundlsee (Austria), May 1- 5, 2005, Abstracts, p. 114
- D. Bach, H. Störmer, R. Schneider, D. Gerthsen, J. Verbeeck, EELS investigations of different niobium oxide phases, Microscopy and Microanalysis 12 (2006), 416-423
- D. Bach, H. Störmer, R. Schneider, D. Gerthsen, Quantitative EELS Analysis of Niobium Oxides, Proceedings of Microscopy Conference MC 2007, Saarbrücken (Germany), September 2-7, 2007, Microscopy and Microanalysis, 13 (2007), 390-391
- D. Bach, H. Störmer, R. Schneider, D. Gerthsen, W. Sigle, EELS Investigations of Reference Niobium Oxides and Anodically Grown Niobium Oxide Layers, Proceedings of Microscopy and Microanalysis 2007 Meeting, Ft. Lauderdale (Florida, USA), August 5-9, 2007, Microscopy and Microanalysis, 13 ( 2007), 1274-1275
- D. Gerthsen, D. Bach, V. DePauw, S. Kalhöfer, B. Reznik, W. Send Structural properties of interfaces between fiber and matrix in carbon-fiber/carbon-matrix composites and carbon layers on planar substrates Int. J. Mat. Res. (formerly Z. Metallk.) 97 (2006), 1052-1058
- L. Dieterle, D. Bach, R. Schneider, H. Störmer, D. Gerthsen, C. Peters, A. Weber, E. Ivers- Tiffée, U. Guntov, H. Yokokawa Structural properties and chemical stability of nanocrystalline La0.5Sr0.5CoO3-d layers on yttriastabilized zirconia J. Mat. Sci. 43 (2008), 3135-3143
- M. Wanner, D. Bach, D. Gerthsen, R. Werner, B. Tesche Electron holography of thin amorphous carbon films: measurement of the mean inner potential and a thickness-independent phase shift Ultramicroscopy 106 (2006), 341-345
