Oxygen adsorption on Cu(510)

Abstract

Tässä työssä on tutkittu kuparin (510)-askelpinnan reaktiivisuutta käyttäen apuna kvanttimekaanisia ab initio laskentamenetelmiä. Tutkimus on toteutettu laskemalla happiatomin adsorptioenergia ja tilatiheys erilaisissa potentiaalisissa adsorptiopaikoissa pinnalla. Myös happimolekyylin adsorptiota ja hajoamista ontarkasteltu laskemalla pintaa lähestyvälle molekyylille potentiaalienergiapintoja. Energiapintojen tuloksia on myös täydennetty kvanttimekaanisilla molekyylidynamiikkalaskuilla.

Metallisia askelpintoja pidetään yleisesti sileitä pintoja reaktiivisempina happea kohtaan, johtuen askeleen reunan pienentävästä vaikutuksesta molekyylin hajoamisen tiellä olevaan energiavaliin. On kuitenkin olemassa myös tuloksia, jotka osoittavat hapen tarttumisprosessin olevan hallitseva juuri terassialueella, askeleen reunan sijasta.

Tässä työssä on todettu hapen adsorboituvan Cu(510)-pinnalla tehokkaimmin juuri terassilla olevaan hollow-paikkaan. Myös adsorptioenergiat ovat tällä pinnalla pienempiä kuin sileällä (100)-pinnalla. Potentiaalienergiapintojen perusteella Cu(510)-pinnan todetaan myös olevan vähemmän reaktiivinen kuin askelpintojen yleisesti odotetaan olevan, vaikka askeleen reunan todetaankin pienentävän happiatominhajoamisen esteenä olevaa energiavallia.

In this work the reactivity of the stepped Cu(510) surface is studied by using ab initio computational methods. This is done by calculating the adsorption energies and densities of states for the oxygen atom on the potential adsorption sites on the surface. Also the adsorption of molecular oxygen is studied by calculating potential energy surfaces for the oxygen molecule approaching the potential adsorption sites on the surface. The results achieved from potential energy surfaces are also checked by molecular dynamicscalculations.

Stepped metal surfaces are generally considered to be more reactive towards the oxygen because the dissociation is usually enhanced on the step edges and other defects present on stepped surfaces. There exist, however, also results that suggest the terrace area being dominant on the sticking process of dioxygen on the surface.

The adsorption on the Cu(510) surface is found to be more favoured on the terrace area for both atomic and molecular oxygen, and the adsorption energies are found to be smaller than on the smooth Cu(100) surface. Also, based on the results of potential energy surface calculations, the reactivity of the surface is found to be lower than was expected for stepped surface, alltough there is a reduction on the dissociation barrier, caused by the step edge.