Non-adiabatic Effects in the Oxidation of Alkali Metals
Non-adiabatic effects during the oxidation of alkali metal surfaces were studied. For this
purpose thin film Schottky diodes based on silicon substrates were developed. The diodes
were used to detect low lying electron-hole pair excitations leading to chemicurrents
through the devices. The chemicurrent concept has been combined with a setup to
detect highly energetic exoelectrons emitted in the cause of the reactions. In contrast to
previous studies, it has been found that the chemicurrent is not simply proportional to
the reaction rate. Exposure dependent chemicurrent and exoemission efficiencies have
to be assumed to correctly describe the time evolution of chemicurrent and exoemission
traces.
Most experiments were carried for liquid nitrogen cooled samples at a temperature of
120 K. From independent photo emission experiments the reaction kinetics of the oxidation
of alkali metal films in a low pressure oxygen atmosphere could be determined.
The structure of the O 1s photoemission line was used to determine the chemical composition
of the oxide films. For lithium and sodium substantial amounts of dissociatively
adsorbed oxygen could be observed. Molecular adsorption as peroxides and superoxides
is dominant for the other alkali metals. Unactivated adsorption of oxygen on fresh potassium
films occurs predominantly as peroxide. The high exposure regime is dominated
by diffusion of potassium atoms to the surface and the absorption of superoxide ions.
Valence band photoemission (UPS) reveal the molecular adsorption which confirm the
previous interpretation of the chemical shift in the O 1s XPS data.
Chemicurrent and exoemission data for oxygen adsorption show that non-adiabatic
effects are not restricted to the dissociation of oxygen molecules. The second charge
transfer O−
2 → O2−
2 efficiently generates low lying electronic excitations which can be
measured as a chemicurrent. At the same time high energy exoelectrons are emitted via
Auger processes. A shift between the chemicurrent and exoemission traces are observed
which is explained by the low bandwidth of the alkali metals. If the injected hole
state lives sufficiently long, there is the possibility for it to be injected below the band
bottom. This suppresses the resonant ionization of the adsorbate, and hence reduces the
chemicurrent. The exoemission, however, is not affected. The oxidation of the surface
effectively decouples the adsorbate states from the metal leading to a longer lifetime of
the injected hole states. An increase of the non-adiabaticity of the adsorption is the
consequence.
Model calculations using a Newns-Anderson Hamiltonian were carried out to calculate
non-adiabatic excitation spectra for the adsorption of an oxygen molecule on a clean
K(100) surface. Parameters for the time-dependent Newns-Anderson calculation were
obtained from independent DFT results. A large imbalance between excited holes and
electrons is found. These results show that the effective temperature description of the
spectra is not suitable for the system.
In dieser Arbeit werden nicht-adiabatische Effekte bei der Oxidation von Alkalimetalloberflächen untersucht. Hierzu wurden Dünnschicht-Schottkydioden auf der Basis von Siliziumsubstrat
hergestellt. Die so hergestellten Dioden dienten als Detektoren zur Messung von
durch niederenergetische Elektron-Loch-Paar-Anregungen induzierte Chemoströme. Das Chemostromkonzept
wurde mit einem Aufbau zur Detektion von hochangeregten Exoelektronen,
die im Verlauf der Reaktion freigesetzt werden, erweitert. Im Gegensatz zu vorhergehenden
Studien wurde festgestellt, dass die Chemoströme keiner einfachen Proportionalität zur Reaktionsrate
folgen. Bedeckungsabhängige Chemostrom- und Exoemissionseffizienzen müssen
angenommen werden um die zeitliche Entwicklung des Chemostroms und der Exoemission
korrekt wiederzugeben.
Die Experimente wurden größtenteils an mit flüssigem Stickstoff gekühlten Proben bei einer
Temperatur von 120K vorgenommen. Durch unabhängige Photoemissionsexperimente wurde
die Reaktionskinetik der Oxidation von Alkalimetallfilmen bei tiefen Temperaturen in einer
Sauerstoffatmosph¨are bei niedrigem Druck bestimmt. Die Struktur der O 1s Photoemissionsline
diente dazu die chemische Zusammensetzung der Oxidfilme zu bestimmen. Auf Lithiumund
Natriumfilmen adsorbieren beträchtliche Anteile des angebotenen Sauerstoff dissoziativ.
Bei den anderen Akalkimetallen wurde vorwiegend molekulare Adsorption als Peroxid und
Superoxid gefunden. Auf unbedeckten Kaliumoberflächen wurde eine direkte Adsorption von
Peroxidionen beobachtet. Bei höheren Bedeckungen wird die Reaktion durch die Diffusion
von Kaliumatomen durch den Oxidfilm dominiert und durch Superoxidadsorption bestimmt.
Valenzbandspektroskopie (UPS) untermauert die Interpretation der vorgestellten chemischen
Verschiebung der O 1s Linie, die durch XPS-Messungen bestimmt wurde. Die Chemostrom
und Exoemissionsdaten zeigen, dass die nicht-adiabatischen Effekte nicht auf die Dissoziation
von Sauerstoffmolekülen beschränkt sind. Der zweite Ladungstransfer O−2 → O2−2 generiert
tief liegende elektronische Anregungen, die als Chemostrom detektiert werden kännen. Gleichzeitig
führen allerdings Augerprozesse zur Emission von Exoelektronen. Ein Versatz zwischen
Chemostrom und Exoemission wurde beobachtet, welcher durch die niedrige Bandbreite der
Alkalimetalle erklärt wird. Bei einer ausreichenden Lebensdauer des injizierten Lochzustands
kann dieser unter die Bandkante des Metalls gedrückt werden, was die resonante Ionization
des Adsorbats (und damit den Chemostrom) unterdrückt. Die Exoemission dagegen ist hiervon
nicht betroffen. Die Oxidation der Oberfläche entkoppelt die Adsorbatzustände effektiv von
denen des Metalls. Dies führt zu einer verlängerten Lebensdauer der injizierten Lochzustände,
was eine erhöhte Nichtadiabatizität der Adsorption zur Folge hat.
Modelrechnung wurden unter Benutzung eines Newns-Anderson Hamiltonian durchgeführt
um nicht-adiabatische Anregungensspektren hervorgerufen durch die Adsorption eines Sauerstoffmoleküls auf einer K(100) Oberfläche zu beschreiben. Parameter für das zeitabhängige
Newns-Anderson Model wurden aus unabhängigen Dichtefunktionalrechnungen entnommen.
Ein großes Ungleichgewicht zwischen angeregten Löcher und Elektronen wurde gefunden. Diese
Ergebnisse zeigen, dass eine Beschreibung durch eine effektive Temperatur für die betrachteten
Systeme nicht angemessen ist.
Preview
Cite
Citation style:
Could not load citation form.