Surfaces of transition-metal oxides

Abstract

Transition-metal oxides (TMOs) display a wide range of electronic, magnetic, and catalytic properties, rendering them highly relevant for various technological applications such as catalysis, electronics, and energy conversion devices. The surface properties of a material play a crucial role in determining its performance, as the atomic arrangement on the surface significantly influences the chemical reactivity and electronic behavior. Low-Energy Electron Diffraction (LEED) combined with intensity-voltage analysis --- LEED I(V) --- is a powerful technique to investigate the atomic structure of surfaces. This thesis contains surface-science studies on SrTiO3(110), La0.8Sr0.2MnO3(001) (LSMO), and Cu2O(111). A variety of surface-science techniques were employed to prepare and characterize the surface reconstructions, in order to perform LEED-I(V) measurements on them. The preparation of SrTiO3 involves depositing Sr via molecular-beam epitaxy (MBE) or Ar+ sputtering, both followed by oxygen annealing, highlighting the impact of these methods on the (110) surface structure. Challenges in the LEED-I(V) data extraction, such as spot splitting due to antiphase boundaries, emphasize the importance of accurate postprocessing to ensure reliable comparisons with simulated models. LSMO(001) films were grown on a STO(001) substrate using pulsed-laser deposition and Ar+-sputtering. A comparison of the LEED-I(V) data for the same surface reconstruction, prepared in different ways, demonstrated that the film growth of LSMO(001) is reproducible. Two different surface reconstructions of Cu2O(111) could be achieved through annealing in varying oxygen partial pressures and temperatures. The preparation encountered challenges, especially a lack in reproducibility, as the surface properties were strongly dependent on the annealing history of the crystal.

Übergangsmetalloxide (TMOs) weisen ein breites Spektrum an elektronischen, magnetischen und katalytischen Eigenschaften auf, was sie für verschiedene technologische Anwendungen wie Katalyse, Elektronik und für Systeme zur Energieumwandlung sehr interessant macht. Die Oberflächeneigenschaften eines Materials spielen eine entscheidende Rolle für seine Leistungsfähigkeit, da die atomare Anordnung an der Oberfläche die chemische Reaktivität und das elektronische Verhalten stark beeinflusst. Niederenergetische Elektronenbeugung (low-energy electron diffraction, LEED) in Kombination mit Intensität–Spannungs–Analyse — LEED I(V ) — ist eine leistungsfähige Technik zur Untersuchung der atomaren Struktur von Oberflächen. Die vorliegende Masterarbeit umfasst oberflächenwissenschaftliche Untersuchungen an SrTiO3(110) (STO), La0.8Sr0.2MnO3(001) (LSMO) und Cu2O(111). Verschiedene Methoden wurden angewandt, um gut definierte Oberflächenrekonstruktionen zu erhalten und zu charakterisieren. An diesen Oberflächenrekonstruktionen wurden dann LEED-I(V )-Messungen durchgeführt. Die Präparation von STO umfasst die Abscheidung von Sr mittels Molekularstrahlepitaxie (molecular-beam epitaxy, MBE) oder Ar+ Sputtering, jeweils gefolgt von Heizen in einer Sauerstoffumgebung, wobei der Einfluss dieser Methoden auf die Struktur der (110)-Oberfläche verdeutlicht wird. Die Herausforderungen bei der LEED-I(V )-Datenerfassung, wie die Spotaufspaltung aufgrund von Antiphasengrenzen, unterstreichen die Relevanz einer genauen Nachbearbeitung der Daten, um präzise Vergleiche mit simulierten Modellen zu gewährleisten. LSMO(001)-Filme wurden auf einem SrTiO3(001)-Substrat durch Laserstrahlverdampfen (pulsed-laser deposition, PLD) und Ar+ Sputtering hergestellt. Der Vergleich der unterschiedlichen Oberflächen mit LEED-I(V )-Messungen ergab, dass sie sich klar in ihrer Struktur unterscheiden. Durch Heizen bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken und Temperaturen konnten zwei verschiedene Phasen der Cu2O(111)-Oberfläche erzielt werden. Allerdings traten Schwierigkeiten auf, insbesondere eine mangelnde Reproduzierbarkeit, da die Oberflächeneigenschaften stark von der Vorgeschichte des Kristalls abhängig waren. Die LEED-I(V )-Daten für diese fünf Oberflächenrekonstruktionen, die mit Struktursimulationen verglichen werden, sollen in Zukunft dazu beitragen, das Verständnis der atomaren Anordnungen auf den Oberflächen zu verbessern.