Realstruktur des FeNbO4 und elektronische Materialeigenschaften

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die strukturelle Charakterisierung des FeNbO4 in seinen Polymorphen II und III. Die Sichtung der einschlägigen Literatur und die Auswertung eigener Vorarbeiten lassen die Schlüsse zu, daß der kristalline Aufbau des FeNbO4 signifikante Störungen aufweist, und daß sich diese Störungen offenbar auf die Matreialeigenschaften auswirken. Die Aufklärung der Realstruktur des Eisenniobates ist somit wichtige Voraussetzung für das Verständnis seiner Eigenschaften. Zentrale Bedeutung für das Auftreten einer Realstrukturierung im FeNbO4 hat die Existenz eines Ordnungs-Unordnungs-Phasenübergangs von FeNbO4-II zu FeNbO4-III im Temperaturbereich zwischen 1100°C und 1050°C. Dieses Temperaturintervall liegt im unteren Bereich der möglichen Sintertemperaturen des keramischen Materials und wird in fast allen veröffentlichten Synthesevorschriften mehrfach durchschritten. Um den Einfluß des Phasenübergangs auf die Realstruktur systematisch zu untersuchen wurde eine geeignete Variation der Syntheseparameter durchgeführt. Die Charakterisierung der Proben erfolgte mittels röntgenographischer und elektronenmikroskopischer Methoden. Es wurde eine Realstruktur beobachtet, die sich mit Hilfe von drei Parametern (Domänengröße, Ordnungsgrad, Zustand des Kristallgitters) eindeutig beschreiben läßt. Eine Quantifizierung der erwähnten Parameter wurde durch die Aufstellung eines geeigneten Modells für die Rietveld-Analyse erreicht. Des weiteren wurden Messungen bezüglich der elektrischen und magnetischen Eigenschaften durchgeführt. Ein systematischer Einfluß der Realstruktur konnte in beiden Fällen eindeutig nachgewiesen werden. Daraus resultiert eine potentielle Anwendbarkeit des Materials als Halbleitergassensor. Eine weitergehende Modellierung oder theoretische Beschreibung der genannten Eigenschaften ist aufgrund der komplexen Realstruktur sehr schwierig und steht noch aus.

Main topics of this thesis is structural investigation of FeNbO4 in its polymorphs II and III. The study of published works on this field let to the assumption, that the material shows a characteristic real structure, which has a significant influence on the its properties. Therefor, the characterization of the real structure is fundamental for the understanding of the properties of FeNbO4. An order-disorder phase transition, that occurs in the temperature range between 1050°C and 1100°C, is of major importance for the genesis of the materials real structure. Since the lowest possible annealing temperatures for the ceramic material are in approx. the same temperature range, almost all published routes of synthesis pass the phase transition several times. An investigation on the influence of the phase transtition on the real structure was realized through a systematic variation of the route of synthesis. Characterization of the samples was done by means of transmission electron microscopy and x-ray diffraction. The observed real structure is described in terms of domain size, degree of cation order and stressed or relaxed crystal lattice. The parameters were quantified through an appropriate model for Rietveld-refinement based on the diffraction data. Measurements of the electric and magnetic properties of the samples show a systematic dependence of these properties on the real structure. The specific resistivity of the material can be changed continuously over max. two orders of magnitude in dependence on the real structure, which makes FeNbO4 a potential sensor material. A model for the describtion of the electronic properties cannot yet be provided, due to the complicated real structure.