Master's Thesis

Environment-Dependent Surface Structure of Fe2O3(012)

Final Thesis 4.9 MB

Author of thesis: Ing. Mojmír Komora

Acad. year: 2017/2018

Supervisor: prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D.

Reviewer: doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with study of alpha-Fe2O3(012) exposed to water environment. The up to date knowledge of different oxides with focus on  alpha-Fe2O3 and its R-cut (012) non polar surface  is briefly reviewed. The experimental part of this work start with the description of the state of the art ultra high vacuum compatible experimental setup for dosing liquid water onto single crystal surfaces. Individual features of the system are thoroughly discussed and the tests of the system were performed on silver foil and on Fe3O4(001) single crystal surface. The chemical composition and surface morphology of the crystal after liquid water  experiment is discussed. The proposed setup was used to study interaction of water with known (1x1) and (2x1) surface reconstruction of alpha-Fe2O3(012). The experimental data shows that water binds to both reconstruction disociatively with some molecular water bound to adsorbed hydroxyls. The (1x1) reconstruction appears to survive exposure to different pressures of water vapor, while the  (2x1) seems to change into (1x1) after exposures to higher pressures or by exposing it to electron beam. Further, this thesis presents the first real time study of (1x1)-to-(2x1) transition by Low Energy Electron Microscopy. These results show iniciation of the transition at atomic step edges and defects, which then continues to the centers of terraces at lower temperatures. Onservation of gradual transition at higher temperatures suggets creation of numerous nucleation centers from which then (2x1) spread. The beam damage is believed to also play role in the transformation as documented in the thesis.

Keywords:

Condensation liquid water doser, cold finger, drop
maker, oxides, iron oxides, Hematite, $\alpha$-Fe$_2$O$_3$(012), STM, LEEM, XPS, LEED, LEIS

Date of defence

18.06.2018

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

XPS je povrchově citlivá metoda. Na vzorku se nachází 30 % nějaké sloučeniny, ale v XPS spektru není příliš zastoupena. Jak je to možné? Bylo by možné pro studium povrchu použít i metodu LEIS? Bývá zvykem v difraktogramech stopy indexovat. Proč to neděláte?

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D.

Diplomová práce Mojmíra Komory si klade za cíl představit nově vyvinuté zařízení pro vytváření kapek čisté vody v prostředí kompatibilním s velmi vysokým vakuem a popsat vliv vody na povrch oxidů železa. První část práce, zejména konstrukce a testování kondenzačního zařízení pro tvorbu kapek v UHV byla provedena na Technické univerzitě ve Vídni.  Druhá část pak v laboratořích CF Nano, VUT v Brně. Student dokázal ovládnout poměrně značné množství experimentálních technik a z naměřených dat odvodit relevantní výsledky. Je spoluautorem manuskriptu článku zaslaného mezinárodního vědeckého časopisu. Mojmír Komora pracoval na své práci samostatně s velkým zájmem a úsilím, díky čemuž splnil cíle diplomové práce. Dosažené výsledky jsou originální v mezinárodním kontextu a poslouží jako dobrý základ pro navazující experimenty.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.

Práce pojednává o studiu povrchu Fe2O3 při jeho vystavení vodnímu prostředí pomocí metod citlivých na povrch jako LEED, LEEM, XPS, STM a LEIS. Text začíná úvodem do fyziky povrchů oxidů železa a rozumně detailně popisuje použité metody. Co se experimentálního vybavení, tak originální přínos práce je ve vybudování aparatury na dávkování vodních kapek v UHV prostředí, které umožňuje kapku zchladit na teplotu kapalného dusíku a zaručit tak UHV prostředí po dobu transferu vzorku. Konstrukci tohoto zařízení je věnován značný prostor a je zřejmé, že autor se tímto tématem detailně zabýval.
    Vybudovaná aparatura je pak použita ke studiu povrchu Fe3O4, -Fe2O3 a studiu přechodu v povrchové rekonstrukci -Fe2O3 mezi fází (1x1) a (2x1). V každém experimentu byl dán důraz na čistotu povrchů, která byla sledována hlavně pomocí XPS. V případě povrchu Fe3O4 byla objevena kontaminace sodíkem, která však po několika cyklech žíhání a depozice vymizela. Na tomto povrchu byly pomocí STM objeveny orientované molekuly s rostoucím pokrytím až 30% při opakované depozici vody, které byly interpretovány jako karboxylové skupiny. V případě -Fe2O3 byla sledována kyslíková rezonance v XPS spektru odpovídající kyslíku, která vykazovala jasný posuv k vyšším energiím po expozici vodního prostředí. Přechod povrchové rekonstrukci -Fe2O3 mezi (1x1) a (2x1) byl sledován pomocí metody LEEM umožňující mapování povrchu v reálném prostoru. Při žíhání na teplotách 400-500 K byl jasně ukázán přechod od rekonstrukce (1x1) k (2x1).
    Celkově je práce na velmi dobré úrovni, jak co se týče struktury, tak kvality textu, jeho pochopitelnosti a grafické úpravy. Práce je psaná velmi dobrou angličtinou a je tak srozumitelná široké vědecké veřejnosti. Student jasně prokázal, že je schopen kreativně a samostatně pracovat v mezinárodním prostředí, ovládat několik poměrně náročných experimentálních technik, byl schopen navrhnout, otestovat a reálně použít nové experimentální zařízení, provézt řadu experimentů, vyhodnotit je a diskutovat v kontextu současné vědecké literatury. Hodnotím práci výborně, A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1. Na povrchu Fe3O4 byly po vodní expozici nalezeny řetízky, které pokrývaly až 30% povrchu a byly interpretovány jako karboxylové skupiny. Odpovídající signál v XPS je však poměrně slabý, jen lehce nad hranicí šumu. Kriticky diskutujte tuto hypotézu a případně navrhněte další experimenty, které by ji mohly vyvrátit či koroborovat.
  2. 2. Bylo nalezeno, že struktura rezonance O 1s ve spektru XPS povrchu -Fe2O3 po expozici vody se signifikantně liší od povrchu před expozicí, typicky se objevují pásy na vyšších vazebných energiích. Tyto spektra jsou v práci fitována modelem tří rezonancí na určitých charakteristických energiích jak v případě povrchové rekonstrukce (1x1) tak (2x1). Subjektivně se však v těchto dvou případech změny liší, a to tak, že v případě povrchové rekonstrukce (1x1) dochází k celkovému posuvu těžiště hlavní rezonance na vyšší energie, zatímco v případě povrchové rekonstrukce (2x1) hlavní rezonance zůstává na stejné energii a jenom se objevuje nová rezonance na vyšší vazebné energii. Prosím diskutujte tento rozdíl, jestli je nějak reflektován modelem, případně diskutujte jednoznačnost rozdělení emisní struktury na tři rezonance.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová