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Title
Adsorption of metals and molecules on metal-supported iron oxide and silica thin films / submitted for the academic degree of Dr. rer. nat. of Sascha Pomp
AuthorPomp, Sascha
CensorSterrer, Martin ; Grill, Leonhard
PublishedGraz, October 2016
Descriptioniii, 179 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteKarl-Franzens-Universität Graz, Dissertation, 2016
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (GND)Ultrahochvakuum / Oberflächenphysik / Metalloxide / Organisches Molekül
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-106873 Persistent Identifier (URN)
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Adsorption of metals and molecules on metal-supported iron oxide and silica thin films [38.91 mb]
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Abstract (German)

Die vorliegende Arbeit beschreibt oberflächenwissenschaftliche Untersuchungen, welche hauptsächlich im Ultrahochvakuum (UHV) durchgeführt wurden und auf das Verständnis von umweltrelevanten Prozessen, wie die Herstellung von gemischten Metalloxiden, die Hydroxylierung von Oberflächen und die Adsorption von organischen Molekülen auf Oxidoberflächen abzielen. Wohldefinierte dünne Modelloxidfilmsysteme wurden im UHV hergestellt und mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), thermischer Desorptionsspektroskopie (TDS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) untersucht. Außerdem wurden zusätzliche Daten aus Rastertunnelmikroskopie (RTM), Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRAS) und Dichtefunktionaltheorie (DFT) von Kollaboratoren bereitgestellt. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkung zwischen Oberflächen und ihrer direkten Umgebung sowie des Einflusses von Sauerstoff, Wasser und organischen Molekülen auf die Oberflächenstruktur bei. Die Arbeit beinhaltet drei experimentelle Teile.Im ersten Teil liegt der Fokus auf der Bildung einer zweidimensionalen ternären Wolframoxidschicht, genannt ”FeWOX-Schicht”, die von Pt(111) getragen wird. Zwei verschiedene Phasen, die gut geordnete (2x2)-FeWO3 und die (6x6)-Fe6W8O21 Phase, wurden durch Anwendung einer Festkörperreaktion zwischen FeO(111) und (WO3)3-Clustern gefunden. Erste Reaktivitätsstudien wurden auf der (2x2)-Phase durchgeführt und geben einen Anhaltspunkt für zukünftige systematische Untersuchungen.Der zweite Teil handelt von einem zweilagigen SiO2/Ru(0001) Film und seiner möglichen Funktionalisierung durch thermische und elektronenunterstützte Hydroxilierung. Die entstehenden Hydroxylgruppen wirken als Verankerungsplätze für Atome bzw. Moleküle, was anhand von Palladium Atomen bzw. Partikeln untersucht wurde. Es wird gezeigt wie elektronenunterstützte Hydroxylierung die Zahl der Silanole (Si-OH) und der schwach gebundenen molekularen Wassermoleküle auf der Oberfläche deutlich erhöht. Am Ende wurde das molekular gebundene Wasser als Ursache für das Abdichten von Poren des Siliziumdioxidfilmes erkannt, was die kontrollierte Bildung von Durchlässigkeitszuständen für Palladiumatome ermöglichte, welche entweder in Oberflächenclustern aus Palladium oder in Palladiumatomen an der Rutheniumgrenzfläche resultierten.Zuletzt wurde die Adsorption der organischen Moleküle 1,2-Dihydroxybenzol (Brenzcatechin) und 4-Aminophthalsäure (4-APA) auf Pt(111), FeO(111) und Fe3O4(111) untersucht. Die thermische Stabilität im UHV sowie die molekulare Stabilität in Umgebungsbedingungen wurden erforscht und führten zur Beobachtung von unterschiedlichem Adsorptionsverhalten in Abhängigkeit von Molekül und Substrat. Es konnte gezeigt werden, dass 4-APA generell viel stärker an das Substrat gebunden ist als Brenzcatechin. Beide Moleküle binden ans Substrat und zerfallen direkt an der Grenzfläche, mit Ausnahme von Brenzcatechin auf FeO(111), bevor sie desorbieren. Die Molekülstabilität ist auf Pt(111) am geringsten und auf Fe3O4(111) am höchsten.

Abstract (English)

This work describes surface science studies, performed mainly in ultra high vacuum (UHV), aiming at the understanding of environmentally relevant processes including mixed metal-oxide formation, hydroxylation of surfaces and adsorption of organic molecules on oxide surfaces. Well-defined thin oxide film model systems were created in UHV and investigated by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), thermal desorption spectroscopy (TDS) and low energy electron diffraction (LEED). Additional data derived from scanning tunneling microscopy (STM), infrared reflection absorption spectroscopy (IRAS) and density functional theory (DFT) were provided by collaborators. The results of this work contribute to a better understanding of the interaction of surfaces with their direct environment and the influence of oxygen, water and organic molecules on the surface structure. The thesis contains three experimental parts.In the first part, the focus lies on the formation of two-dimensional ternary tungstate layers, namely FeWOX layers, supported by Pt(111). Two different two-dimensional phases, the well ordered (2x2)-FeWO3 and the (6x6)-Fe6W8O21 phase were found by applying a solid state reaction between monolayer FeO(111) and (WO3)3 clusters. First reactivity studies were carried out on the (2x2) phase, which are the basis for more systematic investigations in the future.The second part deals with a bilayer SiO2/Ru(0001) film and its possible functionalization by thermal and electron-assisted hydroxylation. The emerging hydroxyl groups could act as anchoring sites for atoms/molecules, which was investigated by using palladium atoms/particles. It is shown how electron-assisted hydroxylation significantly increased the number of silanols (Si-OH) and weakly bound water molecules on the surface. In the end, this molecular bound water was identified to be responsible for pore blocking on the silica film, which enabled the creation of controllable porosity states for Pd atoms resulting in either surface Pd clusters or Pd atoms at the Ru interface.At last, the adsorption of the organic molecules 1,2-dihydroxybenzene (catechol) and 4-aminophthalic acid (4-APA) was studied on bare Pt(111), FeO(111) and Fe3O4(111). The thermal stability in UHV as well as the molecule stability in ambient conditions were investigated, leading to the observation of different adsorption behaviors in dependence of molecule and substrate. It is shown, that 4-APA is in general much more strongly bound to the substrates as catechol. Both molecules bind to the substrate and the interfacially bound species decompose, except catechol on FeO(111), before desorption. The stability of the molecules is lowest on Pt(111) and highest on Fe3O4(111).