Oxygen adsorption on clean and oxygen precovered Cu(100)

Abstract

Kuparipinnan hapettumisen alkuvaiheet ovat vielä nykyisin tutkijoille epäselviä. Kuitenkin, jotta hapettumisprosessia voitaisiin säädellä, on sangen tärkeää ymmärtää mistä varsinainen hapettuminen lähtee liikkeelle ja mitkä ovat hapettumisen seuraavat vaiheet. Tähän kysymykseen haetaan vastauksia tässä työssä käyttäen puhtaasti teoreettisia menetelmiä pinnan käsittelyssä.

Aikaisempien teoreettisten ja kokeellisten tutkimusten välillä on pieni ristiriita liittyen hapen tarttumistodennäköisyyteen. Teoreettisten tutkimusten mukaan happi ei puhtaalle pinnalle tullessaan näe potentiaalivallia, mutta kokeelliset tutkimukset osoittavat sellaisen kuitenkin olevan. Tuohon ristiriitaan pureudutaan käyttäen aikaisemmista laskuista poikkeavaa kvanttimekaaniseen molekyylidynamiikkaan perustuvaa lähestymistapaa. Työssä havaitaan, että aikaisemmin yleisesti käytetty menetelmä hukkaa huomattavan määrän tietoa ja siten tutkijat eivät voi ainoastaan tyytyä tarkastelemaan kyseisellä menetelmällä saatuja tuloksia. Kuparipinnalle havaittiin, että korkeilla molekyylin kineettisen energian arvolla aikaisemmin suoritetut laskut hajottavista trajektoreista pitävät paikkansa, mutta matalilla kineettisen energian arvoilla molekyyli kohtaa erittäin voimakkaan ``steering'' vaikutuksen ja trajektorit joiden piti olla hajottavia johtavatkin molekulaariseen adsorptioon.

Kun hapen konsentraatio pinnalla on suurempi kuin 0.5 ML, pinta rekonstruoituu. Myös rekonstruktion jälkeistä pintaa on tutkittu samanlaisilla menetelmillä kuin puhdasta pintaa. Rekonstruoituneelle pinnalle ei löydetty hajottavia trajektoreita ja havaittiin, että hapelle annetun kineettisen energian matalilla arvoilla myös tässä tapauksessa on erittäin voimakas ``steering'' vaikutus.

The early stages of the oxidation of the copper surface are still quite unknown. If we want to control the oxidation process, it is crucial to understand how the actual oxidation process begins and what are the next stages in the process. This works tries to seek answers for these questions using purely theoretical methods.

Previously, there has been discrepancy between the theoretical and experimental studies about the sticking coefficient on the clean Cu(100). According to the theoretical studies the oxygen molecule confronts no potential barrier as it approaches the surface. On the other hand, experiments have shown that such a barrier exists. That discrepancy is looked at using a different kind of approach, quantum mechanical molecular dynamics method. In this work it is suggested that the previously widely used method (PES) looses lots of information and therefore researchers can not rely on that method only. For the clean copper surface we found that when the molecule was given high initial kinetic energy towards the surface the previous calculations, which gave dissociative trajectories, are consistent with the ones performed here. On the other hand, when lower kinetic energies were used the molecule confronts a very intense steering effect and the trajectories lead to a molecular adsorbed states on the surface.

When the concentration of the oxygen exceeds 0.5 ML on the surface, the surface reconstructs. Similar methods have been used for the reconstructed surface. We found no dissociative trajectories for the reconstructed surface and, as for the clean surface, in molecular dynamics calculations a very intense steering effects were found.