Valence states in sub-monolayer samarium films on graphene supported on ruthenium and nickel

Abstract

Denne oppgaven undersøker overflateegenskapene til enkeltsubstrater av overgangsmetall Ru(001) og Ni(111) mettet med grafendopet Samarium(Sm) monolag av sjeldne jordarter. Fire komplementære overflatevitenskapsteknikker ble brukt: lavenergi elektrondiffraksjon (LEED), røntgenfotoemisjonsspektroskopi (XPS), ultrafiolett fotoemisjonsspektroskopi (UPS) og temperaturprogrammert desorpsjon (TPD) for å undersøke dette Sm-dopte grafenlaget på disse underlagene. Overlagssystemene ble oppnådd ved termisk dekomponering av etylengass ved 1250K for Ru og 800K for Ni i et ultravakuumsystem. Det lagdelte systemet dannet en tøff grafen på Ru opp til 1250K og 1000K for Ni. Det resulterende gjennomsnittlige grafenlaget var 5Å på Ru og 2,5Å for Ni. Grafen gikk fullstendig i oppløsning fra SmGrNi-systemet ved 880K, mens det for SmGrRu skjedde ved 1150K. Det var sterkere intermolekylære bindinger mellom SmGrRu-overlaget enn det er med SmGrNi-overlaget. Velordnede gitterstrukturelle flekker mønstrede LEED-bilder av Ru, GrRu og Ni ble fanget, og de diffuse mønstrene for SmGrRu-overlegget. Å eksponere disse overlagene for Sm ved lav temperatur på ca. 310K, resulterte i de forskjellige Sm tynnfilmsystemene. XPS-målinger viste en tilsynelatende diffusjon av Sm-metall videre inn i grafenlaget over 350K glødetemperatur. Vi så at begge overlagssystemene hadde blandet valens, hvor Sm+2 var mer vanlig under 350K og Sm+3 over 400K med et gjennomsnitt på 98%. Det samme resultatet ble oppnådd med den svært lave Sm-tynnfilmdekningen glødet til over 400 k. For SmGrRu-systemet ble arbeidet bestemt av UPS og en økning på 0,57eV skjedde. Mens TPD-målingene etter adsorpsjon av O2 og CO2 og utglødning av systemet fra 300 til 1000K ga ingen desorpsjon av CO2.

This thesis examines the surface characteristics of transition metal single substrates Ru(001) ans Ni(111) saturated with graphene doped rare-earth Samarium(Sm) monolayer. Four complimentary surface science techniques were employed: Low energy electron diffraction (LEED), X-ray photoemission spectroscopy (XPS), Ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS), and Temperature programmed desorption(TPD) to investigate this Sm doped graphene layer on those substrates. The overlayer systems were achieved by thermal decomposition of ethylene gas at 1250K for Ru and 800K for Ni in an ultra vacuum system. The layered system formed a tough graphene on the Ru up to 1250K and 1000K for Ni. The resultant average graphene layer was 5Å on the Ru and 2.5Å for the Ni. Graphene disintegrated completely from the SmGrNi system at 880K, while that of the SmGrRu occurred at 1150K. There were stronger inter-molecular bindings between the SmGrRu overlayer than it is with the SmGrNi overlayer. Well-ordered lattice structural spots patterned LEED images of Ru, GrRu and Ni were captured, and the diffused patterns for the SmGrRu overlayer. Exposing these overlayers to Sm at low temperature of about 310K, resulted in the various Sm thin film systems. XPS measurements showed an apparent diffusion of Sm metal further into the graphene layer above 350K annealing temperature. We saw that both overlayer systems had mixed valency, with Sm+2 being more common below 350K and Sm+3 above 400K at an average of 98%. The same result was obtained with the very low Sm thin film coverage annealed to above 400 k. For the SmGrRu system, the work was determined by UPS and an increase of 0.57eV occurred. While the TPD measurements after adsorption of O2 and CO2 and annealing the system from 300 to 1000K produced no desorption of CO2.