Surface Structure Determination of Cu2O(100) and (110)

Abstract

Kupfer(I)-oxid (Cu2O) ist ein häufig vorkommender, ungiftiger p-Typ-Oxidhalbleiter, dessen Oberflächeneigenschaften stark von den Präparationsbedingungen, der Stöchiometrie und der kristallographischen Orientierung abhängen. In dieser Arbeit wurden die Oberflächenstrukturen von Cu2O(100) und Cu2O(110) unter Ultrahochvakuumbedingungen mittels Rastertunnelmikroskopie(STM), Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Das Hauptziel bestand darin, wohldefinierte Oberflächenterminierungen zu präparieren, die beobachteten Rekonstruktionen mit den verfügbaren Strukturmodellen zuvergleichen und geeignete, reproduzierbare Präparationsbedingungen zu identifizieren.Für die Cu2O(100)-Oberfläche konnten die c(2 × 2)- und die (3,0,1,1)-Rekonstruktionen erfolgreich präpariert und charakterisiert werden. STM-Messungen lieferten atomar aufgelöste Bilder beider Phasen, wobei die Ergebnisse mit früherer Literatur übereinstimmen. Für die Cu2O(110)- Oberfläche wurden bisher keine experimentellen Literaturstudien berichtet. In dieser Arbeitwurden mehrere geordnete Strukturen identifiziert, darunter (2 × n), (2 × 1), (1 × 1) sowie eine (3 × 1)/c(2 × 2)-ähnliche Phase. Die beobachteten Strukturen zeigen eine Abhängigkeit von den Präparationsbedingungen und dem Sauerstoffgehalt. Atomar aufgelöste STM-Bilder wurden für die Cu2O(110)-(1 × 1)-Oberfläche erhalten, obwohl sich ihr Präparationsfenster als eng und stark von der Präparationshistorie abhängig erwies.LEED-IV-Messungen wurden an der Cu2O(100)-Oberfläche mit koexistierenden (3,0,1,1)- und c(2 × 2)-Rekonstruktionen sowie an der Cu2O(110)-(1 × 1)-Oberfläche durchgeführt. Die nutzbaren I-V-Kurven waren jedoch auf einen Energiebereich von etwa 50–250 eV beschränkt, da die Beugungsreflexe bei höheren Energien zu schwach wurden. Die erhaltenen Daten waren daher für eine quantitative Strukturanalyse nicht ausreichend.

Cuprous oxide (Cu2O) is an earth-abundant, non-toxic p-type oxide semiconductor with surface properties that are highly sensitive to preparation conditions, stoichiometry, and crystallographic orientation. In this thesis, the surface structure of Cu2O(100) and Cu2O(110) were investigated under ultrahigh-vacuum conditions using Scanning Tunneling Microscopy (STM), Low-Energy Electron Diffraction (LEED), and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The main objective was to prepare well-defined surface terminations, compare the observed reconstructions with the available structural models, and identify suitable reproducible preparation conditions.For the Cu2O(100) surface, the c(2 × 2) and (3,0,1,1) reconstructions were successfully prepared and characterized. STM measurements provided atomic resolution images of both phases, yielding results consistent with previous literature. For the Cu2O(110) surface no experimental literature studies have been reported. In this thesis several ordered structures were identified, including (2 × n), (2 × 1), (1 × 1), and a (3 × 1)/c(2 × 2)-like phase. The observed structures show a dependence on preparation conditions and oxygencontent. Atomic-resolution STM images were obtained for the Cu2O(110)-(1 × 1) surface, although its preparation window was found to be narrow and strongly history-dependent. LEED-IV measurements were performed on the Cu2O(100)-coexistence of (3,0,1,1) and c(2 × 2) and Cu2O(110)-(1 × 1) surface, but the usable I-V curves were limited to an energy range of ≈50-250 eV, since the diffraction spots became too weak at higher energies. The resulting data were not adequate for a quantitative structural analysis.