Gasinduziertes optisches Schaltverhalten dünner Magnesium-Nickel-Schichten

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Phasenumwandlungen dünner Magnesium-Nickel-Schichten beim Überströmen mit wasserstoff- und sauerstoffhaltigen Gasen. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Schichten wurden auf Glassubstrate aufgedampft und sind mit einer dünnen Katalysator-Schicht, in der Regel Palladium, bedeckt. Diese katalysiert die Gasreaktionen und schützt die MgNi-Schicht vor Oxidation. Die untersuchten metallischen MgNi-Legierungen zeigen bei Wasserstoffabsorption eine reversible Umwandlung in halbleitende Hydride, was sich in den optischen Eigenschaften in einem Übergang von einem reflektierenden in einen transparenten Zustand (schaltbare Spiegel) äußert. Ein solcher Übergang lässt sich für intelligente Fenster mit einem hohen Schaltkontrast und effektivem Blendschutz verwenden. Für Anwendungen ist die Zyklenstabilität der Schichten allerdings bisher unzureichend. Um diese gezielt zu verbessern, wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst der Schaltmechanismus und dessen Abhängigkeit von den Schichteigenschaften charakterisiert. Die Schalteigenschaften und die Kinetik der Umwandlungsreaktionen wurden dabei mittels Messung der Transmission und der Reflexionen des Schichtsystems untersucht. Die Messungen wurden mit optischen Simulationsrechnungen unter der Annahme unterschiedlicher Umwandlungsmechanismen verglichen. Mit diesen Methoden lassen sich die Umwandlungsvorgänge, das heißt die Keimbildung und das Phasenwachstum, ausführlich beschreiben. Mit Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie, Augerelektronenspektroskopie, optische Spektroskopie, Röntgenbeugung und Festkörper-NMR-Spektroskopie wurden die Schichten weiterhin in beiden Zuständen, metallisch und halbleitend, charakterisiert. Das Schaltverhalten weist eine starke Abhängigkeit von der Schichtstruktur und von den Grenzflächeneigenschaften auf. Spezifische Grenzflächeneigenschaften führen dazu, dass bei der Wasserstoffabsorption die Hydridbildung überraschenderweise an der Substratgrenzfläche beginnt. Hierdurch wird die Bildung einer wasserstoffundurchlässigen Hydridschicht im Oberflächenbereich verhindert, was die weitere Wasserstoffabsorption behindern würde. Dieser Effekt erklärt die im allgemeinen gute Hydrierbarkeit der Schichten. Darüber hinaus zeigt das Hydrierverhalten eine Abhängigkeit von der Schichtzusammensetzung, was auf strukturelle Eigenschaften zurückgeführt werden konnte. So können nur Schichten innerhalb eines bestimmten Zusammensetzungsbereichs mit einer röntgenamorphen Struktur vollständig hydriert werden. Die Dehydrierungsreaktion in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zeigt dagegen den erwarteten Mechanismus mit Keimbildung der metallischen Phase an der Katalysator/MgNi-Grenzfläche, wobei die Kinetik der Dehydrierungsreaktion im allgemeinen langsamer ist als die der Hydrierung. Mit der Kenntnis der Einflüsse auf das Schaltverhalten und mit den dabei entwickelten Methoden wurden die Ursachen der Degradation beim Zyklen bestimmt. Diese sind eine Vergiftung der Palladium-Oberfläche, eine Diffusion von Palladium in die Magnesium-Nickel-Schicht sowie eine Oxidation der Magnesium-Nickel-Schicht. Der Schichtaufbau wurde durch Einbau zusätzlicher Schichten, einer Pt-Schicht auf der Pd-Oberfläche und einer Vanadium-Zwischenschicht zwischen der Pd- und der MgNi-Schicht verbessert. Hiermit konnte sowohl die Diffusion von Palladium in die Schicht als auch die Vergiftung der Katalysator-Oberfläche verhindert werden. Die Oxidation der Magnesium-Nickel-Schicht wurde ebenfalls verlangsamt. Mit diesen Maßnahmen konnte die Zyklenstabilität von 20 Zyklen auf etwa 300 Zyklen erhöht werden, bei ähnlichem Degradationsniveau. Die Arbeit liefert somit grundlegende Erkenntnisse zur Verbesserung des Aufbaus schaltbarer Spiegel