Oberflächenuntersuchungen an Magnetit

Magnetit (Fe 3 O4 ) ist ein in der Natur häufig vorkommender halb metallischer Ferrimagnet mit vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten in aktuellen und zukünftigen Technologien. Viele Studien haben sich auf seine Volumseigenschaften konzentriert, aber die Fe3 O4 Oberfläche beschränkt oft die Möglichkeiten in der Anwendung. Das Aufkommen eines passenden Strukturmodells zusammen mit einem Schema zur reproduzierbaren Präparation machen Fe3 O4 (001) zu einem hervorragenden Kandidaten für Studien der Eigenschaften der Fe3 O4 Oberfläche, und außerdem zu einem Modellsystem für Untersuchungen der Metalloxide Oberflächenchemie. Aktuelle STM Untersuchungen unserer Gruppe haben ergeben, dass eine ungewöhnliche Rekonstruktion Adsorptionsprozesse auf der Fe3 O4 (001) Oberfläche dominiert. Viele Adsorbate bevorzugen einen bestimmten Platz einer gestörten Oberflächenschicht und formen dadurch ein "Nano-Template". DFT Rechnungen schrieben diesen Effekt Ladungsordnungsprozessen in der zweiten Lage zu. Mehrere interessante Effekte folgen daraus: wie zum Beispiel die Aufspaltung von Wasser bei Raumtemperatur, Oberflächen Fe-Dimere, und die Stabilität von einzelnen Goldatomen bis zu 400 C. In diesem Projekt nützen wir unsere Kenntnis von der Fe3 O4 (001) Oberfläche als eine Basis, um die nächste Komplexitätsstufe zu erreichen, und seine Oberflächenchemie zu studieren. Wir wollen herausfinden, wie die makroskopische Reaktivität und die atomaren Prozesse miteinander in Verbindung stehen. Diese Aufgabe benötigt sowohl atomar aufgelöste STM Bilder, aktuelle DFT Rechnungen, und alle verfügbaren spektroskopischen Methoden, die in unserer neuen "Oxidchemie Anlage", die der Antragsteller geplant hat, integriert sind. Die Basis der bevorstehenden Forschungen sind die Anwendung einer gemeinsame Methodologie, und drei ähnliche, aber nicht gleiche Modellsysteme zu studieren. Das erste Ziel ist zu verstehen, wie die Oberflächenrekonstruktion die makroskopische Reaktivität beeinflusst. Danach werden wir unsere Fähigkeit, den Aufbau der Oberfläche zu kontrollieren, benutzen, und werden den Einfluss von unterkoordinierten Fe Kationen auf die Reaktivität untersuchen. Schlußendlich werden wir den Effekt der "Nano-Template" ausnützen, um die Reaktivität von isolierten Au Atomen und Clustern zu studieren, ein strittiges Thema in der Katalyse. Der direkte Abgleich der Daten in jeder Phase ermöglicht es uns die Funktion des nano-Au eindeutig zu ermitteln. Wir beantragen daher die Forschungsförderung, einen Dissertanten und zwei Diplomanden/Masterstudenten zu beschäftigen, die zusammen mit Dr. Parkinson arbeiten werden. Dr. Parkinson ist ein Jungwissenschaftler, der gerade dabei ist sein eigenes Forschungsprogramm aufzubauen. Die Finanzierung dieses Projekt wird ein Netzwerk zwischen Jungwissenschaftlern, nicht nur innerhalb der Fakultät, sondern auch außerhalb der TU Wien etablieren und Dr. Parkinson als Forscher auf dem Gebiet der Oberflächenphysik bestätigen. Außerdem bietet es eine interessante und spannende Gelegenheit für Studenten, an der Spitze der Grundlagenforschung mit direkter Anwendung in der realen Welt, zu arbeiten.

Magnetit (Fe3O4) ist ein in der Natur reichlich vorhandenes Material mit vielen Anwendungen in diversen Bereichen wie Medizin, Elektronik und Katalyse. Entscheidend sind dabei in fast allen Fällen Prozesse, die an der Oberfläche ablaufen (z.B. chemische Reaktionen treten an der Oberfläche eines Katalysators auf, in elektronischen Geräten muss Ladung über Grenzflächen transportiert werden), und dieses Projekt zielt auf besseres Verständnis dafür ab, wie die Oberflächenstruktur auf atomarer Skala die Materialeigenschaften beeinflusst. Zu Beginn bestimmten wir, wie die Atome in der äußersten Lage einer häufigen Magnetit-Oberfläche, der (100) Oberfläche, arrangiert sind. Dies war keine einfache Aufgabe, da Magnetit ein komplexes Material ist, aber mittels einer Kombination verschiedener experimenteller und theoretischer Methoden konnten wir zeigen, dass das bisher übliche Modell für die Oberflächenstruktur inkorrekt war, und stattdessen eine neue Struktur vorschlagen, die gute Übereinstimmung mit allen bestehenden experimentellen Ergebnissen aufweist. Unsere Arbeit wurde unter dem Titel Subsurface Cation Vacancy Stabilization of the Magnetite (001) Surface in Science publiziert.Mit dem Verständnis der Struktur begannen wir die Interaktion der Oberfläche mit Molekülen und Metallen zu studieren. Die wichtigste Entdeckung war, dass diese Oberflächenrekonstruktion die Agglomeration von Metallatomen zu größeren Clustern verhindert. Diese einzigartige Eigenschaft erlaubt uns, zu studieren, wie sich Atome bewegen, wie sie miteinander und mit der Umgebung wechselwirken, und wie Nanopartikel gebildet werden. Die Oberfläche ist sehr vielversprechend, um zu studieren ob (und wie) einzelne Atome chemische Reaktionen in sogenannter single-atom catalysis katalysieren können. Dieses Konzept bildete das Fundament für meine erfolgreiche Bewerbung um den 2015 FWF START Preis, und diese aufregende Arbeit wird über die nächsten 6 Jahre weitergeführt werden.Unsere Studien molekularer Adsorption konzentrierten sich auf organische Moleküle, um die Verwendung von Magnetit als Katalysator besser zu verstehen. Wir begannen mit einfachen repräsentativen Molekülen für die Klassen der Alkohole und Säuren, Methanol und Ameisensäure. Während Ameisensäure auf der ganzen Oberfläche bindet, wird Methanol nur an spezifischen Defekten der Struktur gebunden. Dieser Aspekt ist auch eine wichtige Grundlage, um zu untersuchen, wie Medikamente mittels Ölsäure an Magnetit-Nanopartikel gebunden werden.