Doctoral Thesis

Real-time monitoring of oxide surfaces by low energy electron microscopy

Final Thesis 2.9 MB

Author of thesis: Nishant Kumar

Acad. year: 2025/2026

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

Reviewers: doc. Ing. Roman Gröger, Ph.D. et Ph.D., Dr. Margareta Ilse Wagner

Abstract:

Hematite (α-Fe₂O₃) is a benchmark iron oxide for photo- and electrocatalysis, but the structure of its (0001) facet and the dynamics of its oxidation remain controversial. On this orientation, surface behavior is tightly coupled to the near-surface bulk in both structure and chemistry, which complicates clean interpretation. This thesis investigates the structural and oxidation behavior of α-Fe₂O₃(0001) under ultrahigh vacuum conditions, combining low-energy electron microscopy and diffraction (LEEM/LEED), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and a collaborative cross-sectional scanning transmission electron microscopy and electron energy loss spectroscopy (STEM/EELS) study. The thesis opens with an overview of iron oxide surface chemistry and hematite phase stability. A methods chapter describes the experimental setup and the preparation of natural single crystals and synthetic films. The next chapter develops a cross-sectional STEM/EELS methodology for the α-Fe₂O₃(0001) surface, refined across four lamella samples, and uses it to provide direct side-view evidence for the magnetite/hematite interface in reduced and oxidized states and to reveal Mn segregation into ferrite-like inclusions in natural single crystals. The final chapter uses real-time LEEM to follow the recovery of the hematite surface from a reduced Fe₃O₄(111)-like layer, showing that complete surface recovery is closely coupled to the lateral growth of the hematite-terminating (H-phase) overlayer. By separating the contributions of temperature, oxygen pressure, and oxygen chemical potential μO, the work establishes the central role of oxygen supply in hematite surface recovery on this orientation, reflecting an interplay between thermodynamic driving forces and kinetic barriers.

Keywords:

Hematite (α-Fe₂O₃), surface termination, oxidation kinetics, real-time monitoring, low-energy electron microscopy, surface science.

Date of defence

01.07.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce pana Nishanta Kumara se zaměřuje na přeměnu tenkých vrstev oxidů železa během oxidace za přesně kontrolovaných podmínek. Zejména byla pomocí nízkoenergetické elektronové mikroskopie a difrakce (LEEM/LEED) sledována přeměna magnetitu na hematit, jejíž výsledky byly zpracovány do rukopisu. Kromě své publikace v roli prvního autora se Nishant Kumar významně podílel na studii, která definitivně vyvrátila dvoufázový model povrchu hematitu. V rámci této práce připravil vzorky pro transmisní elektronovou mikroskopii (TEM) umožňující získání příčných řezů vrstvami magnetitu a hematitu a provedl jejich analýzu pomocí metod LEEM/LEED. Téma je aktuální a stanovené cíle byly dosaženy. Práce má významný interdisciplinární přínos, neboť kombinuje klasické metody povrchové analýzy využívající ultravysoké vakuum (XPS, LEEM, LEED) s objemově citlivými metodami, jako jsou vysokorozlišovací transmisní elektronová mikroskopie (HRTEM) a elektronová ztrátová spektroskopie (EELS), které umožňují sledovat příčný řez vzorku s atomárním rozlišením. Propojením těchto metod bylo možné detailně sledovat proces oxidace a redukce povrchu hematitu i průběh těchto dějů směrem do objemu materiálu. V průběhu obhajoby disertace pan Kumar prokázal výbornou orientaci ve zkoumané problematice. Na dotazy komise odpověděl erudovaně a prokázal schopnost samostatně vědecky pracovat.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (CEITEC-AMN-CZ-P)

Composition of Committee

Ing. Pavel Krečmer, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Roman Gröger, Ph.D. et Ph.D. (člen)
Dr. Margareta Ilse Wagner (člen)

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

viz pdf v příloze
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 126,22 kB

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,32 MB

Reviewer’s report
Dr. Margareta Ilse Wagner

viz posudek v pdf.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová