Geometrical Structure, Phase Diagrams, and Core-Level Binding Energiesof Metal Surfaces: Calculations, Simulations, and Experiments

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Många fysiska egenskaper för ett material beror på den atomära strukturen, det vill säga vilka atomer som sitter var. För att bestämma den geometriska strukturen måste ofta en kombination av flera metoder användas. I detta arbete har vi använt högupplöst fotoelektronspektroskopi (HRCLS), diffraktion av lågenergetiska elektroner (LEED) samt beräkningar baserade på täthetsfunktionalteori (DFT). Med HRCLS låter man ljus träffa provet, varefter man mäter de så kallade fotoelektroner som exciteras från bundna tillstånd i provet till fria tillstånd. Eftersom man vet energin på ljuset som man använder samt mäter energin hos de elektroner som exciteras, kan man räkna ut hur hårt bundna elektronerna varit i materialet. Denna bindningsenergi beror dels på vilken sorts atom som elektronerna kommer ifrån, men även på den atomära geometrin, hur många och vilka atomer som finns runt atomen som elektronen exciterats ifrån. Man kan t ex se skillnad på elektronens bindningsenergi om atomen sitter i ytlagret eller längre in i provet. Ibland är det inte möjligt att förstå den atomära geometrin endast utifrån fördelningen av dessa bindningsenergier. Då kan man ställa upp olika modeller och räkna ut de olika bindningsenergier som de olika modellerna ger och utifrån detta hitta den som stämmer överens med det experimentella resultatet. Till detta har vi använt täthetsfunktionalteori, som är en metod för att räkna ut energin och elektronernas fördelning i ettmaterial. Metoden, som belönades med Nobel-priset i kemi 1998, använder inga empiriska parametrar utan bygger på grundläggande kvantmekaniska principer. Med LEED låter man elektroner studsa mot provets yta och sedan träffa en fluoroscerande skärm. Det mönster som då uppstår på skärmen innehåller information om symmetrin på provets yta och kan även användas för att finna den geometriska strukturen. I denna avhandling har vi studerat metallytor av aluminium och rhodium samt ytlegeringar av aluminium och alkalimetaller. Metallytor är av stor betydelse för många katalysatorer, men kan även fungera som modell-system för att utvärdera nya metoder. Vi har även studerat strukturen som funktion av sammansättning och temperatur för aluminium-natrium ytlegeringar, det så kallade fasdiagrammet. Eftersom natrium inte är lösbart i aluminium stannar natriumatomerna på ytan, där de kan bilda en legering som därmed är ett atomlager tjockt. Detta tvådimensionella system har för en viss sammansättning en struktur som visar sig smälta vid ca -35°C. Vi har karakteriserat detta system experimentellt och dessutom gjort omfattande beräkningar och simuleringar som visar att vi kan återskapa hela fasdiagrammet med hjälp av DFT.