Structure and electronic properties of different adsorbates on the rutile tio2 (110) surfaces"

Resumen

El dióxido de titanio está presente en muchos aspectos de nuestras vidas. Es posible encontrarlo en diferentes productos de uso cotidiano como pinturas, pasta de dientes, papel, cosméticos, cremas solares, comida, etc., así como material de base en muchas aplicaciones tecnológicas tales como la catálisis heterogénea, fotocatálisis, células solares, etc. Debido al amplio abanico de posibles aplicaciones que existen sobre este material, es de gran importancia entender sus propiedades mediante un estudio exhaustivo de su estructura atómica y electrónica. Por otro lado, las moléculas orgánicas han surgido como sustitutos potenciales del silicio en la electrónica del futuro. Presentan propiedades críticas para este fin, tales como su carácter donor-aceptor o su posibilidad de transferir carga, ambas fundamentales para el desarrollo de componentes electrónicos como rectificadores, transistores, etc. Todas estas cualidades hacen de la electrónica molecular un prometedor candidato para sustituir al silicio en la tecnología del futuro. Así, la combinación de ambos, óxido de titanio y moléculas orgánicas, forma un sistema muy interesante en diferentes campos del conocimiento tanto fundamental como tecnológicos. En esta tesis hemos estudiado la interacción de diferentes adsorbatos, orgánicos e inorgánicos, con las superficies limpias del TiO2 (110), utilizando para ello técnicas y protocolos experimentales característicos de la física de superficies. Todo ello incluye el uso de equipos de ultra-alto vacío (UHV), así como técnicas como la microscopia de efecto túnel (STM), la difracción de electrones de baja energía (LEED), la fotoemisión de rayos X (XPS), la absorción de rayos X (NEXAFS), la difracción de fotoelectrones II (XPD), etc. Hemos dividido este trabajo en dos partes relacionadas con las dos principales superficies que presenta esta cara, la (1x1) y la (1x2). Primero, hemos analizado la influencia de la punta de STM a la hora de realizar una correcta interpretación de las imágenes de resolución atómica de la superficie (1x1) limpia. Gracias a este estudio hemos sido capaces de explicar y reproducir la mayoría de las imágenes más habituales de esta superficie considerando la adsorción de uno o dos átomos de oxígeno en el vértice de la punta. Aún más, hemos conseguido reproducir incluso la manera en que los principales defectos que presenta esta superficie se observan mediante STM. En segundo lugar, hemos estudiado las superestructuras que forman diferentes moléculas orgánicas (C60, pentaceno, C60H30 y protoporfirina IX), así como la interacción del substrato con las mismas. Tanto el C60 como el pentaceno y el C60H30 presentan una interacción muy débil con el substrato, mientras que las protoporfirinas interaccionan fuertemente a través de sus átomos de nitrógeno. También nos hemos interesado en el estudio de la estabilidad térmica de dichas capas moleculares. Para ello hemos realizado diferentes experimentos en los que el sistema se ha ido calentando a diversas temperaturas hasta llegar a su desorción. En lo referente a la reconstrucción superficial (1x2), hemos centrado nuestros esfuerzos en tratar de resolver tres cuestiones básicas. Primero, hemos estudiado la formación de la superficie (1x2) así como la influencia de la temperatura y la duración de los ciclos de calentamiento en la calidad de la superficie final. Hemos visto que las cadenas de la (1x2) se forman encima de las filas de Ti5f de la superficie (1x1), pudiendo encontrar single y cross-links desde las primeras fases del crecimiento. Hemos demostrado que se necesitan ciclos de calentamiento de 60 minutos de duración y 1100 K para obtener superficies de buena calidad. Una vez que tenemos un procedimiento para obtener una buena superficie (1x2), hemos estudiado su estructura electrónica en detalle. Hemos realizado medidas ARUPS de la región del gap y de la banda de valencia donde hemos encontrado una banda dispersiva que se extiende a lo largo de la dirección [001] del substrato y que está asociada al mismo. Hemos probado la existencia de una doble contribución en el llamado ¿pico de defectos¿ que aparece en la Resumen III zona ocupada del gap. Una es debida a los defectos del volumen (principalmente vacantes de oxígeno) y la otra a la reconstrucción superficial. Finalmente, hemos estudiado los primero estadios del crecimiento de platino sobre esta superficie. Hemos observado la formación de clusters de Pt situados encima de la filas Ti2O3 de la reconstrucción (1x2). El calentamiento del sistema produce una aglomeración de material, con una nucleación preferente en los single y cross-links de la superficie.