Growth and structure of ultrathin silicates and germanates containing iron oxide

Abstract

This work presents a detailed study of ultrathin films of FeO, iron silicate, and iron germanate on Ru(0001). These two-dimensional structures are suitable model systems for catalytically active structures, such as zeolites, which are known for their good catalytic properties, for instance as molecular sieves or selective catalysts. This work applies the methods of LEEM, LEED, XPS and XPEEM for a detailed and comprehensive investigation of chemical and physical properties of these films. The temperature dependent film formation is studied in real-time and in situ. Ultrathin FeO films were prepared by direct deposition of iron onto a Ru(0001) single crystal support at elevated temperatures. Dependent on the oxygen pressure monolayer-thick or bilayer-thick FeO films are found to grow in a Stranski-Krastanov growth, i.e. a complete wetting layer followed by three-dimensional islands, whereas the latter grow as Fe3O4 crystallites. Different metastable sub-phases are structurally and chemically characterized and their transformation into other more stable phases is addressed. Ultrathin iron silicate films consist of a monolayer of silica on top of a monolayer of iron oxide. The work, presented in this thesis, brought new insights into the structure of these layers. In particular, the measurements suggest that the number of iron atoms per silica unit cell in the iron oxide layer is two and that an additional oxygen layer at the iron/ruthenium interface is present. The Fe-Fe distance is found to be adapted to the Si-O-Si distance in unstrained silicates, rather than being influenced by the ruthenium substrate. Four different preparation methods have been developed in order to study the film formation in dependence of temperature and oxygen pressure. The films were characterized with regard to their thermal stability and chemical and physical properties. Moreover, the iron silicate structure was varied and prepared with two layers of iron oxide or two layers of silica, respectively. Both additional layers are found to be stable if grown as complete layers, and adapted to the monolayer iron silicate film structure. The study of incomplete layers brought new insights into the dynamic processes and thermal stability. In particular, iron migration was found to start at iron silicate domains, when silicon was deposited on top of FeO islands. The migrating iron binds to silica in initially iron-free domains, where again iron silicate is formed. For monolayer-thick FeO films this takes in form of about 50 nm small isolated islands. In bilayer-thick FeO films a two-step process is found: First a rim is formed consisting of monolayer-thick iron silicate. In a second step small isolated islands are formed additionally. Ultrathin iron germanate films are found to have almost the same structure as iron silicate films, i.e. a monolayer of germania is bound on top of a monolayer of iron oxide. However, the Fe-Fe distance is adapted to the length of Ge-O-Ge bonds in unstrained germanates. Different preparation methods show that these films are energetically stable in the investigated temperature (between 300 K and 840 K) and pressure (up to 10-6 mbar) range.

Diese Arbeit präsentiert eine detaillierte Studie ultradünner Filme auf Ru(0001), wie FeO, Eisensilikat und Eisengermanat. Diese zweidimensionalen Strukturen sind geeignete Modellsysteme für katalytisch aktive Strukturen wie Zeolite, welche für ihre guten katalytischen Eigenschaften bekannt sind, z.B. als molekulares Sieb oder selektiver Katalysator. In dieser Arbeit werden die Methoden LEEM, LEED, XPS und XPEEM für eine detaillierte und umfassende Untersuchung der chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Filme verwendet. Ihre temperaturabhängige Filmentstehung wurde in Echtzeit und in situ untersucht. Ultradünne FeO Filme wurden durch Aufdampfen von Eisen direkt auf eine Ru(0001) Einheitskristallunterlage bei hohen Temperaturen präpariert. Abhängig von dem Sauerstoffdruck wachsen monolagen- oder bilagendicke Filme im Stranski-Krastanov Wachstum, d.h. in Form einer Benetzungslage, gefolgt von dreidimensionalen Inseln. Letztere wachsen als Fe3O4 Kristallite. Verschiedene metastabile Unterphasen werden strukturell und chemisch charakterisiert und deren Umwandlung in andere, stabilere Unterphasen behandelt. Ultradünne Eisensilikatfilme bestehen aus einer Monolage Silikat auf einer Monolage Eisenoxid. Die hier präsentierte Arbeit brachte neue Einblicke in die Struktur dieser Lagen. Insbesondere deuten die Messungen darauf hin, dass die Anzahl der Eisenatome pro Einheitszelle des Silikats in der Eisenoxidlage zwei ist und dass eine zusätzliche Sauerstofflage am Eisen/Ruthenium Übergang existiert. Zudem passt sich der Eisen-Eisen Abstand eher an den Si-O-Si Abstand in ungespannten Silikaten an, als dass es von dem Ruthenium Substrat beeinflusst wird. Vier verschiedene Präparationsmethoden wurden entwickelt, um die Filmausbildung in Abhängigkeit von der Temperatur und des Sauerstoffdrucks zu untersuchen. Die Filme wurden charakterisiert im Hinblick auf ihre thermische Stabilität, sowie ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften. Desweiteren wurde die Eisensilikatstruktur variiiert und jeweils mit zwei Lagen Eisenoxid oder zwei Lagen Silikat präpariert. Beide zusätzlichen Lagen sind stabil bei geschlossenen Filmen und angepasst an die Struktur der Eisensilikatmonolage. Die Studie ungeschlossener Filme brachte neue Einblicke in die dynamischen Prozesse und thermische Stabilität dieser. Eisenmigration von Eisensilikatinseln wurde in Filmen gefunden, bei denen Silizium auf FeO aufgedampft wurde. Das migrierende Eisen bindet an Silikat in ursprünglich eisenfreien Domänen, wodurch erneut Eisensilikat geformt wird. Für monolagendicke FeO Filme geschieht dies in Form von 50 nm kleinen isolierten Inseln. In bilagendicken FeO Filmen gibt es einen zweistufigen Prozess: Erst bildet sich ein Rand aus monolagendickem Eisensilikat. In einem zweiten Schritt werden zusätzlich kleine isolierte Inseln geformt. Ultradünne Eisengermanatfilme haben fast die gleiche Struktur wie Eisensilikatfilme, d.h. eine Monolage Germania ist auf einer Monolage Eisenoxid gebunden. Die Eisen-Eisen Abstände sind jedoch an die Ge-O-Ge Bindungslängen in stressfreien Germanaten angepasst. Verschiedene Präparationsmethoden zeigen, dass diese Filme energetisch stabil in dem untersuchten Temperatur- (300 K – 840 K) und Druckbereich (< 10-6 mbar) sind.