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B. Stöger:
"Surface Defects and Adsorption on Strontium Ruthenates";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): U. Diebold, W. Schneider; Institut für Angewandte Physik (E134), 2014; Rigorosum: 12.12.2014.

Im Zuge dieser Dissertation, wurden die Oberflächen von Materialien der Ruddelsden-Popper-Serie An+1BnO3n+1 untersucht. Hierbei handelt es sich um gemischte Metalloxide. A steht für ein Metall der Seltenen Erden und/oder Erdalkalimetalle, wie Strontium, Calcium oder Lanthan und B steht für ein Übergangsmetall wie Eisen, Titan, oder Ruthenium. In meinen Versuchen habe ich vor allem Sr2RuO4 , Sr3Ru2O7 und Ca-, Mn- und Co-dotierte Strontiumruthenate mit einem Rastertunnelmikroskop bei 6 K und 78 K untersucht.
Gemischte Metalloxide werden weltweit intensiv erforscht, was einerseits durch ihre außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften, wie der kolossale magnetoresistive Effekt in gemischtvalenten Manganoxiden oder Hochtemperatursupraleitung in den Cupraten erklärt werden kann. Andererseits zeichnen sich Perovskite auch durch ihre chemischen Eigenschaften aus und spielen bereits eine Rolle in der Katalyse und als Kathoden in Festkörperbrennstoffzellen. Nichtsdestoweniger, weiß man noch sehr wenig, wie diese Materialien auf atomare Ebene mit Adsorbaten wechselwirken und über die Oberflächenchemie dieser Elemente im Allgemeinen. Während sich durch Standard-Reinigungsverfahren, wie Zerstäubungs/Ausheizzyklen, auf gemischten Metalloxiden komplexe Oberflächenrekonstruktionen ausbilden, ermöglicht das Spalten von Sr2RuO4 und Sr3Ru2O7 Einkristallen eine wohl-definierte SrO- Oberflächenschicht zu untersuchen.
Rastertunnelmikroskaufnahmen zeigen, dass die Oberfläche des frisch-gespaltenen Kristalls nicht perfekt ist, sondern verschiedene Defekte enthält. Diese Defekte wurden in einer vorherigen Studie fälschlicherweise als Sr- und O- Fehlstellen charakterisiert, die während des Spaltvorgangs entstehen sollen. Unsere Untersuchen zeigen jedoch, dass es sich hier um Kristallverunreinigungen und Adsorbate aus dem Restgas handelt.
Um die Oberflächenchemie näher zu untersuchen, setzten wir die SrO Oberfläche von Sr2RuO4 und Sr3Ru2O7 verschiedenen Molekülen wie CO, CO2 , O2 und H2O bei 78 K und 100 K aus. Bei diesen Versuchen stellte sich heraus, dass die Oberfläche von Sr2RuO4 und Sr3Ru2O7 sehr stark mit adsorbierten CO wechselwirkt. Bei 78 K adsorbiert CO auf der SrO Oberfläche von Sr3Ru2O7 auf einem Oberflächensauerstoffatom mit einer Adsorptionsenergie Eads von -0.7 eV. Wird der Kristall auf 100 K erwärmt, so ersetzt das C Atom das Oberflächensauerstoffatom und ein gebogenes CO2 wird gebildet, wobei das C-Atom an das Ru-Atom gebunden ist (Ru-Carboxylat). Eine Adsorptionsenergie Eads von -2.2 eV verdeutlicht die starke Bindung zwischen dem CO-Molekül und der Oberfläche von Sr3Ru2O7. Im Fall von Sr2RuO4 konnte nur die Formation eines Carboxylats beobachtet werden, unabhängig von der Probentemperatur.
Wasser dissoziiert bereits auf der sauberen, defektfreien Oberfläche zu einem Oberflächenhydroxid OsHads und einem adsorbierten Hydroxid (OH)ads . Das (OH)ads befindet sich auf einer Sr-Sr Brücke und steht immer noch in Wechselwirkung mit dem Oberflächenhydroxid. Dies kann experimentell beobachtet werde, da das (OH)ads um das OsHads von einer Sr-Sr Brückenposition zur nächsten springt. Wird die Mobilität von adsorbiertem Wasser durch Erwärmen der Probe auf Raumtemperatur gesteigert, so können Wassermoleküle miteinander wechselwirken und Dimere oder längere Wasserketten werden gebildet.