journal article·2008-02

The thermodynamic stability of amorphous oxide overgrowths on metals

F. Reichel, L.P.H. Jeurgens, E.J. Mittemeijer

Acta Materialia· Volume 56· Issue 3
Publisher page

Abstract

On a thermodynamic foundation, in particular for interface energetics, the initial oxide overgrowth on a bare metal surface can be predicted to be either amorphous or (semi-)coherent crystalline, as function of the oxidation temperature and substrate orientation. Model calculations were performed for a range of metal/oxide systems (oxidation of Al, Ni, Cu, Cr, Fe, Mg, Zr and Ti) on the basis of the sum of the surface, interfacial and bulk energy differences between the competing amorphous and crystalline oxide overgrowths on the same metal substrate. It follows that an amorphous state for the initial oxide overgrowth can be thermodynamically (instead of kinetically) preferred as long as the higher bulk Gibbs energy of the amorphous oxide overgrowth is overcompensated for by its low sum of surface and interface energies. The dominating factors, which thermodynamically favour the formation of an amorphous oxide overgrowth, are exposed and discussed.
Source: openaire · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Catalytic Processes in Materials Science · Thermal and Kinetic Analysis · Electronic and Structural Properties of Oxides

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

References (100+)

Show source-provided references
1. Fehlner · 1986
2. Lawless · Rep Prog Phys · 1974 · 37 · 23110.1088/0034-4885/37/2/002 ↗
3. Jeurgens · J Appl Phys · 2002 · 92 · 164910.1063/1.1491591 ↗
4. Jeurgens · Acta Mater · 2005 · 53 · 487110.1016/j.actamat.2005.06.028 ↗
5. Reichel · Acta Mater · 2007 · 55 · 602710.1016/j.actamat.2007.07.011 ↗
6. Jeurgens · Phys Rev B · 2000 · 62 · 470710.1103/PhysRevB.62.4707 ↗
7. Reichel · Phys Rev B · 2006 · 74 · 14410310.1103/PhysRevB.74.144103 ↗
8. Fehlner · Oxid Met · 1970 · 2 · 5910.1007/BF00603582 ↗
9. Cabrera · Rep Progr Phys · 1949 · 12 · 16310.1088/0034-4885/12/1/308 ↗
10. Revesz · Oxid Met · 1981 · 15 · 29710.1007/BF01058831 ↗
11. Freund · Surf Sci · 2007 · 601 · 143810.1016/j.susc.2007.01.025 ↗
12. Johansson · Phys Rev Lett · 2005 · 95 · 11680510.1103/PhysRevLett.95.116805 ↗
13. Först · Phys Rev Lett · 2005 · 95 · 13760210.1103/PhysRevLett.95.137602 ↗
14. Michel · Surf Sci · 1973 · 36 · 47810.1016/0039-6028(73)90396-8 ↗
15. Haque · Surf Sci · 1964 · 1 · 37810.1016/0039-6028(64)90005-6 ↗
16. Muñoz-Márquez · Surf Sci · 2004 · 565 · 110.1016/j.susc.2004.06.204 ↗
17. Christensen · Appl Surf Sci · 1986 · 26 · 40810.1016/0169-4332(86)90114-5 ↗
18. Hayden · Surf Sci · 1981 · 111 · 2610.1016/0039-6028(81)90472-6 ↗
19. Flodström · Surf Sci · 1982 · 118 · 51310.1016/0039-6028(82)90202-3 ↗
20. Leygraf · Surf Sci · 1973 · 40 · 60910.1016/0039-6028(73)90148-9 ↗
21. Wagner · Trans Metall Soc AIME · 1961 · 221 · 257
22. de Boer · 1989
23. van der Merwe · Surf Sci · 1972 · 31 · 19810.1016/0039-6028(72)90261-0 ↗
24. Chase Jr MW. NIST-JANAF Thermochemical Tables, 4th ed. J Phys Chem Ref Data; 1998. p. 959.
25. King · J Am Chem Soc · 1958 · 80 · 180010.1021/ja01541a006 ↗
26. Samsonov · 1973
27. Powder Diffraction Files. JCPDS – International Centre for Diffraction Data; 2002.
28. Bernard · J Electrochem Soc · 1959 · 106 · 64310.1149/1.2427463 ↗
29. Fukuda · J Am Ceram Soc · 2002 · 85 · 91510.1111/j.1151-2916.2002.tb00192.x ↗
30. Young · 1961
31. Dingwell · J Am Ceram Soc · 1991 · 74 · 271810.1111/j.1151-2916.1991.tb06833.x ↗
32. Pilla · J Phys: Condens Matter · 2003 · 15 · S99510.1088/0953-8984/15/11/322 ↗
33. Touloukian · 1977
34. Yanagida · Bull Chem Soc Jpn · 1964 · 37 · 122910.1246/bcsj.37.1229 ↗
35. Pranatis · J Am Ceram Soc · 1968 · 51 · 18210.1111/j.1151-2916.1968.tb11867.x ↗
36. Touloukian · 1977 · vol. 12
37. Blonski · Surf Sci · 1993 · 295 · 26310.1016/0039-6028(93)90202-U ↗
38. Iler · 1979
39. Gilman · J Appl Phys · 1960 · 31 · 220810.1063/1.1735524 ↗
40. Jura · J Am Chem Soc · 1952 · 74 · 603310.1021/ja01143a062 ↗
41. Broquist · Surf Sci · 2004 · 554 · 26210.1016/j.susc.2004.02.014 ↗
42. Goniakowski · Surf Sci · 1994 · 319 · 6810.1016/0039-6028(94)90570-3 ↗
43. Robertson · Mater Sci Technol · 1990 · 6 · 8110.1179/mst.1990.6.1.81 ↗
44. Westwood · J Appl Phys · 1963 · 34 · 333510.1063/1.1729189 ↗
45. Wander · Phys Rev B · 2003 · 68 · 23340510.1103/PhysRevB.68.233405 ↗
46. Wolf · Solid State Ionics · 1995 · 75 · 310.1016/0167-2738(94)00183-S ↗
47. Harding · Surf Sci · 1999 · 422 · L18310.1016/S0039-6028(98)00875-9 ↗
48. Fisher · Scripta Mater · 2004 · 50 · 104510.1016/j.scriptamat.2003.12.024 ↗
49. Oliver · Phys Rev B · 1995 · 52 · 532310.1103/PhysRevB.52.5323 ↗
50. Christensen · Phys Rev B · 1998 · 58 · 805010.1103/PhysRevB.58.8050 ↗
51. Nygren · J Phys Chem · 1996 · 100 · 29410.1021/jp951694e ↗
52. Soon · Surf Sci · 2005 · 579 · 13110.1016/j.susc.2005.01.038 ↗
53. Rustad · Surf Sci · 1999 · 432 · L58310.1016/S0039-6028(99)00581-6 ↗
54. Mishra · J Appl Phys · 1977 · 48 · 457610.1063/1.323486 ↗
55. Swamy · Surf Sci · 2002 · 504 · 11510.1016/S0039-6028(01)01925-2 ↗
56. Purton · Surf Sci · 1995 · 336 · 16610.1016/0039-6028(95)00511-0 ↗
57. Bates · Surf Sci · 1997 · 385 · 38610.1016/S0039-6028(97)00265-3 ↗
58. Muscat · Surf Sci · 2000 · 446 · 11910.1016/S0039-6028(99)01125-5 ↗
59. Lawrence · J Am Ceram Soc · 1988 · 71 · C-38910.1111/j.1151-2916.1988.tb06401.x ↗
60. Molodetsky · J Non-Cryst Solids · 2000 · 262 · 10610.1016/S0022-3093(99)00690-0 ↗
61. Kubaschewski · 1993
62. Fromm · Surf Sci · 1976 · 57 · 77510.1016/0039-6028(76)90365-4 ↗
63. 1976
64. Tokuda · 1973 · 583
65. Newman · Physica B · 1983 · 116 · 26410.1016/0378-4363(83)90257-7 ↗
66. Reichel F, Jeurgens LPH, Mittemeijer EJ. Thin Solid Films, in press.
67. Simmons · 1971
68. Gallas · J Am Ceram Soc · 1994 · 77 · 291710.1111/j.1151-2916.1994.tb04524.x ↗
69. Alberts · J Magn Magn Mater · 1976 · 2 · 32710.1016/0304-8853(76)90044-5 ↗
70. Beg · Phys Rev B · 1976 · 13 · 172810.1103/PhysRevB.13.1728 ↗
71. Hallberg · Phys Status Solidi · 1970 · 42 · 30510.1002/pssb.19700420131 ↗
72. Manghnani · Phys Status Solidi A · 1974 · 25 · 6910.1002/pssa.2210250103 ↗
73. Du Plessis · J Phys C: Solid State Phys · 1971 · 4 · 198310.1088/0022-3719/4/14/013 ↗
74. Chan · J Am Ceram Soc · 1991 · 74 · 174210.1111/j.1151-2916.1991.tb07177.x ↗
75. Sinogeikin · Rev Sci Instrum · 2000 · 71 · 20110.1063/1.1150183 ↗
76. Marklund · Phys Scripta · 1971 · 3 · 7510.1088/0031-8949/3/2/005 ↗
77. Atanasoff · Phys Rev · 1941 · 59 · 8510.1103/PhysRev.59.85 ↗
78. Kimizuka · Phys Status Solidi B · 2005 · 242 · 60710.1002/pssb.200460379 ↗
79. Eldridge · Oxid Met · 1988 · 30 · 30110.1007/BF00659003 ↗
80. Reichel F, Jeurgens LPH, Richter G, Mittemeijer EJ, submitted for publication.
81. Lawless · Acta Metall · 1956 · 4 · 15310.1016/0001-6160(56)90133-X ↗
82. Fromhold · Oxid Met · 2004 · 62 · 23710.1007/s11085-004-7810-z ↗
83. Roosendaal · Surf Sci · 1999 · 442 · 32910.1016/S0039-6028(99)01006-7 ↗
84. Sewell · Surf Sci · 1972 · 33 · 53510.1016/0039-6028(72)90146-X ↗
85. Qin · Thin Solid Films · 2003 · 444 · 17910.1016/j.tsf.2003.08.043 ↗
86. Ploc · J Nucl Mater · 1982 · 110 · 5910.1016/0022-3115(82)90408-1 ↗
87. Ploc · J Nucl Mater · 1983 · 113 · 7510.1016/0022-3115(83)90169-1 ↗
88. Ploc · J Nucl Mater · 1983 · 115 · 11010.1016/0022-3115(83)90349-5 ↗
89. Douglass · Acta Metall · 1965 · 13 · 106910.1016/0001-6160(65)90175-6 ↗
90. Flower · Acta Metall · 1974 · 22 · 133910.1016/0001-6160(74)90034-0 ↗
91. Holtzberg · J Am Chem Soc · 1957 · 79 · 203910.1021/ja01566a004 ↗
92. Nayak · Thin Solid Films · 2003 · 445 · 11810.1016/S0040-6090(03)01284-7 ↗
93. Tanaka · Z Metallkd · 1996 · 87 · 380
94. Ikemiya · ISIJ Int · 1993 · 33 · 15610.2355/isijinternational.33.156 ↗
95. Eustarhopoulos · 1999
96. Taylor · J Inst Metals · 1957 · 86 · 456
97. Overbury · Chem Rev · 1975 · 75 · 54710.1021/cr60297a001 ↗
98. Livey · J Am Ceram Soc · 1956 · 39 · 36310.1111/j.1151-2916.1956.tb15606.x ↗
99. Gennard · J Phys Chem B · 1999 · 103 · 1015810.1021/jp9913923 ↗
100. Nolan · Surf Sci · 2005 · 576 · 21710.1016/j.susc.2004.12.016 ↗