Initial oxidation rate of nickel and effect of the curie temperature

✍ Scribed by H Uhlig; J Pickett; J Macnairn

• Publisher: Elsevier Science
• Year: 1959
• Weight: 885 KB
• Volume: 7
• Category: Article
• ISSN: 0001-6160
• DOI: 10.1016/0001-6160(59)90116-6

✦ Synopsis

Nickel foil was oxidized for 24 hr periods within the temperature range 307" to 442°C producing NiO fihns up to 3400 A thick maximum.

A discontinuity in oxide growth is observed at the Curie temperat,ure (353°C).

Data obtained at 390", 394" and 405°C as a function of time show that a two-stage oxide growth rate occurs, a higher rate following an initially lower rate. Both stages are represented by a linear relation between oxide thickness and logarithm of time. Many initial oxidation rate data obmined by other investigators, for Ni and a variety of metals, also follow the two-stage logarithmic equation. Based on control of the initial oxidation rate by electron transfer from metal to oxide, the discontinuity of oxide thickness at the Curie temperature is explained by an observed work function of nickel slightly higher above the Curie temperature than below. The change of work function also explains a slightly higher activation energy for oxidation above the Curie temperature than below. Calculations show that the density of trapped electrons in a constant density space charge next to the metal surface is 1.3 x lOi at 390°C. Density of available sites for trapped charge in a diffuse charge layer, which grows on top of the constant density layer, is the same order of magnitude (5.5 x 10i5). A higher density of sit,es for NiO than for Cu,O, plus a higher work function for Ni than for Cu, are in line with a lower oxidation rate of Ni compared to Cu. It is calculated that contact of oxide with Ni or Cu lowers the work function at the metal-oxide interface by about 0.6 V. This value agrees, in the case of Cu,O, with the energy required to excite an electron from the filled band to the conduction band. VITESSE INITIALE D'CXYDATION DU NICKEL ET EFFET DE LA TEMPERATURE DE CURIE Des feuilles de nickel sont oxgdees pendant 24 heures a des temperatures comprises entre 307 et 442°C. 11 se produit un film de NiO d'une Bpaisseur de 3.400 8, au maximum. Les auteurs observent une discontinuite dans la croissance de l'oxyde & la temperature du point Curie (353°C). Les resultats obtenus A 390, 394 et 405°C montrent que la vitesse de croissance du film en fonction du temps presente deux stades. Les deux stades peuvent Btre represent&s par une relation lineaire entre l'epaisseur de l'oxyde et le logarithme du temps. Des don&es sur l'oxydation du nickel et d'autres metaux rapport&s par d'autres chercheurs, s'accordent Bgalement a la loi logarithmique en deux stades. La discontinuit,e de l'epaisseur de l'oxyde a la temperature de Curie est expliquee, sur la base du c*ontrole de la vitesse initiale d'oxydation par le transfert d'electrons du metal Q l'oxyde, par l'energie libre du nickel qui est plus &levee au-dessus du point Curie. La variation d'energie libre explique Bgalement une energie d'activation pour l'oxydation legerement superieure au-dessus de la temperature de Curie. Les calculs montrent que la densite des electrons emprisonnes dans une charge spaciale de densite constante au voisinage de la surface du metal, est de 1,3 x IOr L 390°C. La densite des sites disponibles pour la charge emprisonnee dans une couche de charge diffuse, qui croit au sommet de la courbe it densite constante, est du m6me ordre de grandeur (5,5 x 10i5). Une densite plus Blevee des sites pour Ni que pour Cu,O ainsi qu'une Bnergie libre plus &levee pour le Ni que pour le Cu, sont en concordance avec la vitesse d'oxydation plus faible de Ni comparee a celle du cuivre. On peut calculer que 1~ contact d'oxyde avec lo Ni ou le Cu abaisse l'energie libre a l'interface metal-oxyde d'environ 0,6 V. ('ette valeur est en accord avec l'energie necessaire pour exciter un electron de la couche complhte a la (,ourhe conductric,e. DIE ANFANGLICHE OXYDATIONSGESCHWINDIGKEIT VON NICKEL UND DER EINFLUSS DER CURIE-TEMPERATUR Sickelfolien wurden im Temperaturbereich zwischen 307" und 442°C Oxydationsbehandlungen van jeweils 24 Stunden unterworfen, dabei bildeten sich NiO Filme mit einer maximalen Dicke van 3400 A. Bei der Curie-Temperatur (353°C) wurde eine Unstetigkeit des Oxydwachstums beobachtet. Messungen des Anlaufverhaltens bei 390", 394" und 405°C als Funktion der Zeit zeigen, dass das Oxyd in 2 Stufen aarhst; auf eine anfanglich geringere Oxydationsgeschwindigkeit folgt eine hiihere Geschwindigkeit. Beide Stufen lassen sich durch eine lineare Beziehung zwischen der Oxyddicke und dem Logarithmus der Zeit darstellen. Viele Ergebnisse anderer Autoren iiber die anfiingliche Oxydationsgeschwindigkeit van Ni und einer iZnzah1 anderer Metalle folgen ebenfalls der zweistutlgen logarithm&hen Gleichung.