Jian Wang

Low Energy Electron Diffraction Studies of Transition Metal Oxide Surfaces and Films

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 07.02.2005

Abstract
In dieser Arbeit wurde die atomare Struktur von Übergangsmetalloxid-Oberflächen mittels der Beugung niederenergetischer Elektronen (low-energy electron diffraction, LEED) untersucht. Die untersuchten Systeme waren die Bariumtitanat-(111)-Oberfläche mit der ()R30-Überstruktur und verschiedene Cobaltoxidfilme auf einem Ag(100)-Substrat.
Die Struktur und Morphologie der Cobaltoxidfilme wurde mittels der kinematischen Analyse der Linienprofile von LEED-Reflexen bestimmt. Im Detail damit wurden folgende Ergebnisse erhalten:
1) Die Gitterparameter des Co/O Precursors wurden exakt bestimmt.
2) Ab einer Filmdicke von 5-6 ML erfolgt das Wachstum von CoO mit der zum Volumenwert relaxierten Gitterkonstanten.
3) Bei einem 10 ML dicken CoO Films wurden zwei Überstrukturen bestimmt: CoO(100)(2x1) und CoO(111) ()R30.
Mit der dynamischen TensorLEED Methode wurden folgende Details der atomaren Struktur durch die Analyse von I(V)-Kurven von LEED-Reflexen gefunden:
1) Bei der reinen Ag(100)-Oberfläche wurde zum ersten Mal die Kompression des obersten Lagenabstandes bestimmt.
2) Bei dem 4 ML dicken CoO-Film auf Ag(100) sind die Atome der beiden obersten Lagen nach außen relaxiert, die Sauerstoff- und Cobaltatome der obersten Lage unterschiedlich stark.
3) Die Bariumtitanat (111) ()R30 Oberfläche ist BaO terminiert mit Sauerstoffleerstellen und einer starken Relaxation der Ba-Atome der obersten Lage nach außen.

Low energy electron diffraction (LEED) have been applied to investigate the surfec structure of transition metal oxides BaTiO3(111) ()R30 and CoO/Ag(100) systems. The kinematic (SPA-LEED) method was used to investigate the structure and morphology of CoO thin films growth on Ag(100) substrate. The dynamic method (Tensor LEED) was used to quantitatively analyse the intensity spectra of LEED spots in order to extract the detailed surface crystallographic information. By a tensor LEED analysis of the clean Ag(100) surface. A small inward relaxation in the top layer of Ag(100) surface was found and the surface structure parameter of Ag(100) were refined. For a 4 ML CoO/Ag(100), expansion in first and second layer were found. In addition, the first layer shows surface rumpling. For a 1.2 ML CoO/Ag(100), the precursor super structure is determined. CoO(111) ()R30 superstructure with 30 rotated domains as well as CoO(100) (2 1) superstructure has been observed on a 10 ML CoO film. Strain relaxation of CoO films was found to be at abour 5-6 ML. The BaTiO3(111) ()R30 reconstructed surface has been analyzed by the tensor LEED method. The surface shows a BaO termination with one third of O vacancies on the topmost layer.

Keywords:
Beugung niederenergetischer Elektronen, LEED, spot profile analysis LEED, Tensor LEED, Cobaltoxid, Bariumtitanat, Oberflächenstruktur, Filmwachstum

Low Energy Electron Diffraction (LEED), Spot Profile Analysis LEED, Tensor LEED, Co oxide, Ag(001), growth, BaTiO3(111) ()R30

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Contents (1, I-II)
1 Introduction (1-6)
2 Metal Oxides Surfaces (7-22)
3 Theory of Low Energy Electron Diffraction (23-36)
4 Experimental (37-46)
5 SPA-LEED Analysis of CoO on Ag(100) (47-66)
6 Tensor-LEED Analysis of Oxide Surfaces (67-88)
7 Conclusions (89-92)
Bibliography (93-101)