STM Studie von Sauerstoffadsorption auf Defekten einer TiO2 Anatas (101) Oberfläche

Abstract

Titandioxid ist ein weitreichend verwendetes wie auch untersuchtes Material. Es findet Anwendung sowohl in der Farbindustrie als auch durch seine Eigenschaften als n-Halbleiter in der Grätzelzelle, sowie beispielsweise auch für selbstreinigende Oberflächen, da es eine hohe photokatalytische Wirkung aufweist. Defekte, welche bedeutenden Einfluss auf Oberflächeneigenschaften von Titandioxid haben, sind ein aktuelles Forschungsgebiet. Titandioxid existiert in der Natur in drei Formen: Rutil, Anatas und Brookit. Auf Rutil sind Defekte an Oberflächen stabiler als im Festkörper, im Anatas hingegen existieren wiederum Rechnungen, dass Defekte im Inneren energetisch stabiler sind. Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Defekte auf einer Anatase (101) Oberfläche im Hinblick auf ihre Stabilität und ihren Einfluss auf Adsorptionseigenschaften, besonders von Sauerstoff. Der untersuchte Einkristall besitzt eine durch Spaltung erzeugte (101) - Oberfläche. Die Oberfläche wurde durch Sputtern und Ausheilen präpariert und die Auswirkung auf die Oberflächenbeschaffenheit im Hinblick auf Defekte untersucht. Im ersten Schritt wurde versucht durch 500 eV Elektronen Defekte bei etwa 105 K zu generieren und diese bei Temperaturen von etwa 77 K durch ein Tieftemperatur - Rastertunnelelektronenmikroskop (LT-STM) zu analysieren. Im Bereich von 223 K bis 301 K wurde aufeinanderfolgende Bildstappel analysiert. Die Defekte bleiben bis 220 K stabil an der Oberfläche, und migrieren danach teilweise in den Untergrund. Gefolgt wurde dieses Experiment von der Untersuchung der Sauerstoffadsorption bei tiefen Temperaturen (100 K). In zukünftigen Messungen soll gezeigt werden, ob die produzierten Defekte Einfluss auf das Sauerstoffadsorptionsverhalten haben.<br />

Titanium dioxide is found in a wide field of applications, e.g., as a white pigment, in solar conversion schemes such as the Graetzel cell, and in the photo-assisted degradation of organic molecules due to the photo catalytic activity. Because surface processes underlie most of these and many other applications, a large number of studies investigating the fundamental surface properties of this material have been performed in recent year. In particular defects, which have a large influence on the surface properties of TiO2, have been studied quite intensely. In nature, titanium dioxide occurs in the three didifferent crystallographic modications: rutile, anatase and brookite. This thesis examines the role of defects on the anatase (101) surface with respect to adsorption properties, in particular of oxygen using low-temperature Scanning Tunneling Microscopy (STM). DFT calculations predict that defects are energetically more stable in the bulk than on the surface of anatase (101), in contrast to rutile. The first part of the thesis describes surface preparation procedures and the resulting subsurface defects present on the as-prepared surface. The second part describes the creation and fate of surface defects. These were produced by bombarding the surface with 500 eV electrons at a sample temperature of 105 K. The defects were found to be immobile up to 220 K, and then disappear from the surface. More extended, as yet unidentifieded defects appear in the temperature range of 326 K to 500 K. In the temperature range between 223 K and 301 K surface defects were monitored with time lapse STM images. They were found to disappear from the surface and reappear again, while their total density did not change. In the third part of the thesis, the as-prepared anatase surface was exposed to O2 at 100 K. The resulting adsorbate structures were compared with theoretical calculations, and it is described how these change with increasing sample temperature. During the course of these experiments was found an additional gas was unintentionally dosed as well, which was identified as CO. First experiments of O2 exposure on a surface defects created by the electron beam are described in the last part of the thesis.