The Surface Structure of V2O3(0001)

Abstract

Vanadium oxides are widely used as catalysts in industrial reactions. The catalytic activity of a material depends on its surface structure. While the catalytic activity of V2O3(0001) has been shown before, the surface termination of V2O3(0001) films has been under debate since ion scattering experiments suggested that the surface is terminated by a trilayer of oxygen. This challenged the previously widespread view that the surface is terminated by a full layer of vanadyl groups. In this dissertation the surface structure of V2O3(0001) films was determined by combined I/V-LEED and STM measurements to clear up this controversy. Analysis of numerous preparations shows that the as prepared films are terminated by a full layer of vanadyl groups with some local defects. The vanadyl terminated surface can be oxidized to a partially vanadyl covered surface showing a superstructure. Oxidation of the films with this superstructure leads to formation and evaporation of V2O5. These results were combined with concurring results by Jan Seifert et al. and Joachim Paier et al. obtained from fast atom diffraction and density functional theory calculations respectively. The surface structure of V2O3(0001) films reduced by electron bombardment was also characterized. These surfaces show a coexistence of two phases, a disordered and an ordered one. The ordered phase was shown to be terminated by a single layer of vanadium atoms on top of an oxygen trilayer.

Vanadiumoxide sind weit verbreitete Katalysatoren in industriellen Reaktionen. Die katalytische Aktivität eines Materials beruht auf seiner Oberflächenstruktur. Während die katalytische Aktivität von V2O3(0001) gezeigt wurde, wurde die Oberflächenterminierung von V2O3(0001) Filmen umstritten, seit Ionenstreuversuche nahelegten, dass diese Oberfläche von einer Dreifachlage Sauerstoff terminiert ist. Dies steht im Widerspruch zu der zuvor weit verbreiteten Ansicht, dass die Oberfläche von einer vollständigen Lage von Vanadylgruppen belegt ist. In dieser Dissertation wurde die Oberflächenstruktur von V2O3(0001) Filmen mit kombinierten I/V-LEED und STM Messungen bestimmt, um diesen Widerspruch aufzulösen. Die Analyse einer Vielzahl von Präparationen zeigt, dass die Filme von einer kompletten Lage Vanadylgruppen, mit lokalen Defekten, terminiert sind. Die Vanadyl- terminierten Oberflächen können zu Oberflächen mit partieller Vanadyl-Belegung oxidiert werden, welche eine Superzelle aufweisen. Oxidation von Filmen die solch eine Superzelle haben führt zur Bildung und zum Verdampfen von V2O5. Diese Ergebnisse wurden mit übereinstimmenden Ergebnissen von Jan Seifert et al. und Joachim Paier et al. kombiniert, welche durch Streuung von schnellen Atomen bzw. Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen erhalten wurden. Es wurde auch die Oberflächenstruktur von durch Elektronenbeschuss reduzierten V2O3(0001) Filmen bestimmt. Diese Oberflächen zeigen eine Koexistenz von zwei Phasen: Eine geordnete und eine ungeordnete. Die geordnete Phase konnte als Einfachlage von Vanadiumatomen auf einer Dreifachlage Sauerstoff identifiziert werden.