Oxygen adsorption on Cu(211) and structurally and chemically modified Cu(100)

Abstract

Kuparipinnan hapettuminen on viimevuosina ollut suosittu tutkimuskohde materiaalitieteissä kuparin laajan teollisuuskäytön vuoksi. Teollisuussovellusten, kuten suojaavien pintaoksidien kehittäminen vaatii kuitenkin syvällistä tuntemusta hapettumisprosessista ja toisaalta myös normaaliolosuhteissa materiaalissa esiintyvien hilavirheiden vaikutuksesta siihen. Tässä työssä keskitytäänkin tutkimaan juuri niitä mekanismeja, joilla erilaiset pintavirheet ja porrastettu pintarakenne vaikuttavathapen adsorptioprosessiin kuparipinnalla. Tutkimus on tehty käyttämällä laskennallisia menetelmiä sekä VASP- ja SIESTA-ohjelmistoja. Työssätutkittiin kemiallisia ja rakenteellisia virheitä Cu(100)-pinnalla, joka on reaktiivisin matalanMillerin indeksin pinta ja porrastetun pinnan tutkimuksessa käytettiin Cu(211)-pintaa, joka puolestaan on yksinkertainen, stabiili ja aiemmissa tutkimuksissa usein käytetty pintarakenne. Työssä tutkitut hilavirheet, adatomit, vähentävät molekyylin dissosiaatiota kuparipinnalla, kun taas vakanssit toimivat dissosiaation keskuksina. Kemiallisena epäpuhtautena käytetty hopeakerros ei estä kuparin hapettumista, sillä happi aiheuttaa mielenkiintoisen segregaatioilmiön, jossa hopeatyöntyy syvemmälle pinnassa jättäen kuparipinnan suojaamattomaksi. Porrastetulla pinnalla (100)-hollow on todennäköisin paikka molekyylin dissosiaatiolle, kun taas portaan bridge-paikka on suotuisin molekulaariselle adsorptiolle. Lisäksi kuparin steppipinnan todettiin olevan reaktiivisempi kuin tasaiset kuparipinnat.

Oxidation of copper hasrecently been under broad interest among material scientists as copperis a widely used material in manufacturing industry and the developing of applications, such as protective surface oxides, is possible only with thorough knowledge of oxidation process. Under normal circumstances metals include different kinds of lattice defects, so also their effects on theoxidation process should be known well. This thesis concentrates thus on mechanisms through which defects and steps affect on a copper surface. This study has been made by using calculational methods and VASP andSIESTA simulation programs. In the study Cu(100) surface is used for studying chemical and structural defects as it is the most reactive low Miller's index surface and Cu(211) is used for step surface calculations, as it is a simple, stable and widely studied surface structure. As structural defects, adatoms have an inhibitive impact on dissociation, but in contrast, vacancies act as dissociative centres. Doping copper with silver, which was used as chemical impurity, doesn't prevent oxidation as an interesting segregation phenomenon occurs during the oxidation process and silver gets pushed towards the bulk. In the case of a step surface Cu(211), hollow site on (100) microfacet was found to be the most dissociative site and bridge site on the step edge the most suitable site for molecular adsorption. A copper step (211) surface was also found to be more reactive than the smooth copper surfaces.