Structure and optical properties of water covered Cu(110) surfaces
Description
In this thesis structural and optical properties of the water covered Cu(110) surface is studied using density functional theory within independent particle approximation. Several stable adsorption structures are studied such as water clusters (monomer, dimer, trimer, tetramer and pentamer), different hexagonal monolayers, partially dissociated water monolayers and three different types of chains among them a chain that consists of pentagon rings. For a copper surface in contact with water vapor, the energetically stable H2O/OH adsorbed structures are compared thermodynamically using adsorption free energy (change of free energy due to adsorption). Several phase diagrams with respect to temperature and pressure are calculated. It is found that among the large number of energetically stable structures (i.e. structures with positive adsorption energy ) only limited number of them are thermodynamically stable. These thermodynamically stable structures are the class of almost energetically degenerate hexagonal overlayers, one type of partially dissociated water structure that contains Bjerrum defect in the hydrogen bond network and pentagon chain. Since hydrogen atoms are light weight their vibrational effects can be considerable. Zero point vibration decreases the adsorption energy up to 0.1 eV and free energy of adsorbed molecules arising from vibrational degree of freedom can go up to -0.2 eV per adsorbed molecule at 500 Kelvin. However zero point energy and vibrational free energy of adsorbed molecules do not alter relative stability of the adsorbed structures. To account for the long range van der Waals interactions, a semi-empirical scheme is applied. Reflectance Anisotropy Spectroscopy (RAS) is a fast and non destructive optical method that can be used to prob the surface in different conditions such as vacuum and electro-chemical environment. Elasto-optic coeficients of bulk are calculated from first principles and the change of the RA spectrum of the bare Cu(110) surface due to surface relaxation is studied using elastooptic theory. The RAS of the most thermodynamically stable structures are calculated. The calculated spectra can be used as a reference for RAS experiments for determining the adsorbed structure. Calculations show that for all of these structures, RA spectra are sensitive to the water structures considered. In other words different adsorbed water structures have different RA spectra, which makes the structures distinguishable from each other. The origins of the peaks are studied in the band structure and it is observed that surface states are not quenched when water adsorbs in intact form. (author)
Availability note (English)
Also available from JKU University Library, Altenberger Strasse 69, 4040 Linz (AT) and available from http://permalink.obvsg.at/AC10776202Abstract (German)
In dieser Arbeit wurden die strukturellen und optischen Eigenschaften einer mit Wasser bedeckten Cu (110) Oberfläche mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Es wurden einige stabile Adsorptionsstrukturen wie: bspw.: Wassercluster (Monomere, Dimere, Trimere, Tetramere und Pentamere), verschiedene hexagonalen Monoschichten, teilweise dissoziierte Wassermonoschichten und drei unterschiedliche Arten von Ketten, auch eine aus Pentagon-Ringen, untersucht. Für eine Kupferoberfläche im Kontakt mit Wasserdampf, wurden die energetisch stabilen H2O/OH absorbierten Strukturen, unter Benutzung der großkanonischen 'Freien Energie', bzw. deren Änderung aufgrund von Adsorption, verglichen. Im nachfolgenden werden diese Strukturen als 'thermodynamisch stabil' bezeichnet. Es wurden weiters Temperatur-Druck Phasendiagramme berechnet und herausgefunden, dass unter den vielen energetisch stabilen Strukturen (d.h. Strukturen mit positiver Adsorptionsenergie) nur eine kleine Anzahl thermodynamisch stabil sind. Diese sind: i) die Klasse der teilweise energetisch entarteten hexagonalen Deckschichten, ii) eine teilweise dissoziierte Wasserstruktur, die den Bjerrum Defekt im Wasserstoffbindungsnetzwerk enthalten und iii) die Pentagon-Kette. Aufgrund der geringen Masse der Wasserstoff Atome können auch phononische Effekte eine Rolle spielen. Die Nullpunktschwingungsenergie verringert die Adsorptionsenergie um bis zu 0.1eV und die Änderung der Freien Energie aufgrund des zusätzlichen Schwingungsfreiheitsgrad kann bis zu -0.2eV pro adsorbiertem Molekül bei 500 K betragen. Die Nullpunktschwingungsenergie und die Freie Energie der Schwingung der adsorbierten Moleküle ändern jedoch nicht die relative (großkanonische) Stabilität. Um die van der Waals Wechselwirkung zu berücksichtigen wurde ein semiempierisches Verfahren angewandt. Reflexions- Anisotropie Spektroskopie (RAS) ist ein schnelles und zerstörungsfreies optisches Verfahren, welches verwendet wird, um die Oberfläche unter verschiedenen Umgebungen, bpsw. Vakuum oder Elektrolytlösungen, zu charakterisieren. Die elastooptischen Koeffizienten des homogenen Materials wurden aus der Theorie hergeleitet und die Änderung des RAS Spektrums der reinen Cu(110) Oberfläche aufgrund der Oberflächenrelaxation wurde aus der elasto-optischen Theorie berechnet. Weiters wurden die RAS Spektren für die thermodynamisch stabilen Strukturen berechnet. Diese Spektren dienen als Referenz für RAS Experimente, bspw. zum Bestimmen der Adsorptionsstruktur durch den Vergleich mit dem Experiment. Die Berechnungen zeigen, dass die RAS Spektren sensitiv von der Adsorptionsstruktur abhängen. Unterschiedliche Adsorptionsstrukturen von Wasser ergeben unterschiedliche RA Spektren. Die Position der beobachteten Peaks werden durch die (Oberflächen-) Bandstruktur bestimmt. Es wurde im wesentlichen herausgefunden, dass die Oberflächenzustände und ihr spektraler Respons sich nicht oder kaum verändern ('not quenched'), wenn das Wassermolekül in intakter Form adsorbiert. (author)Files
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Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 124 p.
- Report number
- INIS-AT--1602005
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 47078873
- Subject category
- S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ADSORPTION; COPPER; DENSITY FUNCTIONAL METHOD; EV RANGE; FREE ENERGY; HYDROGEN; OPTICAL PROPERTIES; PHASE DIAGRAMS; SPECTRA; SURFACES; VAN DER WAALS FORCES; WATER; WATER VAPOR
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; DIAGRAMS; ELEMENTS; ENERGY; ENERGY RANGE; FLUIDS; GASES; HYDROGEN COMPOUNDS; INFORMATION; METALS; NONMETALS; OXYGEN COMPOUNDS; PHYSICAL PROPERTIES; SORPTION; THERMODYNAMIC PROPERTIES; TRANSITION ELEMENTS; VAPORS; VARIATIONAL METHODS