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Well-ordered iron oxide and sulfide thin films

growth methods and characterisation

Davis, Earl Matthew

In this thesis, the growth of iron oxide and iron sulfide thin films has been investigated. These are materials that are abundantly found in the earth's crust and have long been studied by humanity, having a wide range of properties that have seen their use in many applications. Among these applications, iron oxides have played an important role in catalytic processes such as the Haber-Bosch process. Surface science techniques are applied to gain insight into structure and reactivity at the atomic scale. Some of these techniques require a single-crystalline thin film. In this thesis, a growth recipe for high-quality Fe3O4(0 0 1) thin films on a Pt(0 0 1) substrate is presented. Additionally, it was discovered that the surface termination of Fe3O4(0 0 1) thin films can be tuned via different thicknesses of a buffer layer included in the growth process. Iron sulfides play a role in many biogeochemical processes, as well as being involved in industrial processes such as froth flotation. Furthermore, their presence in various locales such as undersea hydrothermal vents and iron-sulfur reaction centres in various enzymes have led to speculation that iron sulfides were involved in processes leading to the first metabolic organisms. Despite the interest in iron sulfides coming from many areas of science, surface science studies of their surfaces are rare. With the exception of pyrite (FeS2), the production of high-quality single-crystalline samples is difficult. This thesis presents a reproducible growth recipe that allows well-ordered iron sulfide thin films to be prepared and studied using surface science techniques. Furthermore, surface science techniques and x-ray diffraction (XRD) are used in characterising the thin film, revealing a NiAs structure with an Fe occupancy of 77 %.
In dieser Thesis wurde das Wachstum von dünnen Eisenoxid- und -sulfidfilmen untersucht. Diese Materialien sind wesentliche Bestandteile der Erdkruste und werden seit langem wissentlich studiert. Vielfältige Anwendungen ergeben sich aus einem weiten Bereich von Eigenschaften. Einer der Anwendungen von Eisenoxid ist der Einsatz in Katalysatoren, wie in dem des Haber-Bosch-Verfahrens. Zum Studium der Reaktivität und der Struktur auf mikroskopischer Skala wurden oberflächenphysikalische Methoden eingesetzt. Einige dieser Methoden erfordern einkristalline dünne Filme. In dieser Thesis wird eine Methode für die Präparation von Fe3O4(0 0 1)-Filmen auf Pt(0 0 1) vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die Oberflächenterminierung des Fe3O4(0 0 1)-Films durch Änderung der Dicke der Eisenlage, die als Puffer zwischen der Unterlage und dem Film dient, modifiziert werden kann. Eisensulfide spielen eine Rolle in vielen biogeochemischen Prozessen und auch in industriell-technischen Prozessen wie der Schaumflotation. Sie finden sich in vielen geologischen Lokalitäten, wie zum Beispiel in der Nähe von unterseeischen hydrothermalen Quellen, aber auch als Eisen-Schwefel-Reaktionszentren in verschiedenen Enzymen, was zu der Spekulationen geführt hat, dass sie in Prozessen involviert waren, die zu den ersten metabolischen Organismen geführt haben. Oberflächenchemische Studien von Eisensulfiden sind selten, obwohl sie von Interesse in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen sind. Eine Ausnahme ist Pyrit (FeS2), für das hochqualitative einkristalline Proben nur schwierig herzustellen sind. In dieser Thesis wird eine Methode zum reproduzierbaren Wachstum von wohlgeordneten Eisensulfidfilmen vorgestellt. Die Filme wurden mit verschiedenen oberflächenphysikalischen Methoden sowie mit Röntgenbeugung (XRD) untersucht. Die Röntgenbeugungsdaten zeigen, dass die Filme eine NiAs-artige Volumenstruktur mit einer Besetzungswahrscheinlichkeit der Eisenplätze von 77% aufweisen.