Structure and reactivity of oxide surfaces: new perspectives from scanning tunnelling microscopy

(Note: The full text of this document is currently only available in the PDF Version )

Russell G. Egdell and Frances H. Jones


Abstract

Scanning tunnelling microscopy (STM) has emerged in the past few years as a uniquely powerful tool for the investigation of oxide surfaces. STM is capable of real-space imaging of periodic structures with atomic resolution and of characterising local atomic arrangements associated with defect sites. The power of the technique is further enhanced by the ability to probe filled and empty density of states profiles at specific atomic sites by monitoring variations in tunnelling currents with applied voltage. The interpretation of STM images is not always unambiguous, a question of central importance being whether oxygen or metal ions appear as maxima in the images. The necessity for adequate sample conductivity imposes some constraints on the applicability of the technique, although developments in instrumentation and in techniques for sample preparation are helping to overcome these limitations. The range and limitations of the technique are illustrated by reference to work on tungsten oxides, titanium dioxide and iron oxides. The review concludes with a discussion of recent developments in the study of molecular adsorbates.


References

  1. V. E. Henrich and P. A. Cox, The Surface Science of Metal Oxides, Cambridge University Press, Cambridge, 1994 Search PubMed.
  2. H. J. Freund, H. Kuuhlenbeck and V. Staemmler, Rep. Prog. Phys., 1996, 59, 283 CrossRef CAS.
  3. C. J. Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford University Press, Oxford, 1993 Search PubMed.
  4. R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge University Press, Cambridge, 1994 Search PubMed.
  5. M. D. Kirk, J. Nogami, A. A. Baski, D. B. Mitzi, A. Kapitulnik, T. H. Geballe and C. F. Quate, Science, 1988, 242, 1673 CAS.
  6. C. K. Shih, R. M. Feenstra, J. R. Kirtley and G. V. Chandrashekhar, Phys. Rev. B, 1989, 40, 2682 CrossRef CAS.
  7. M. Tanaka, S. Yamazaki, M. Fujinami, T. Takahashi, H. Katayama-Yoshida, W. Mizutani, K. Kajimura and M. Ono, J. Vac. Sci. Technol. A, 1990, 1, 475 CrossRef.
  8. X. L. Wu, C. M. Lieber, D. S. Ginley and R. J. Baughman, Appl. Phys. Lett., 1989, 55, 2129 CrossRef CAS.
  9. Z. Zhang and C. M. Lieber, J. Phys. Chem., 1992, 96, 2030 CrossRef CAS.
  10. F. H. Jones, K. Rawlings, J. S. Foord, P. A. Cox, R. G. Egdell, J. B. Pethica and B. M. R. Wanklyn, Phys. Rev. B, 1995, 52, R14392 CAS.
  11. F. H. Jones, K. Rawlings, J. S. Foord, P. A. Cox, R. G. Egdell, J. B. Pethica, B. M. R. Wanklyn, S. C. Parker and P. M. Oliver, Surf. Sci., 1996, 359, 107 CrossRef CAS.
  12. P. M. Oliver, S. C. Parker, R. G. Egdell and F. H. Jones, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1996, 92, 2049 RSC.
  13. F. H. Jones, R. A. Dixon and A. Brown, Surf. Sci., 1996, 369, 343 CrossRef CAS.
  14. R. A. Dixon, J. J. Williams, D. Morris, J. Rebane, F. H. Jones and R. G. Egdell, Surf. Sci., in press Search PubMed.
  15. G. S. Rohrer, W. Lu, M. L. Norton, M. A. Blake and C. L. Rohrer, J. Solid State Chem., 1994, 109, 359 CrossRef CAS.
  16. F. H. Jones, K. Rawlings, S. Parker, J. S. Foord, P. A. Cox, R. G. Egdell and J. B. Pethica, Surf. Sci., 1995, 336, 181 CrossRef CAS.
  17. F. H. Jones, K. Rawlings, J. S. Foord, P. A. Cox and R. G. Egdell, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1985, 2419 Search PubMed.
  18. G. S. Rohrer, V. E. Henrich and D. A. Bonnell, Science, 1990, 250, 1239 CAS.
  19. G. S. Rohrer, V. E. Henrich and D. A. Bonnell, Surf. Sci., 1992, 278, 146 CrossRef CAS.
  20. M. Sander and T. Engel, Surf. Sci., 1994, 302, L263 CrossRef CAS.
  21. D. Novak, E. Garfunkel and T. Gustafsson, Phys. Rev. B, 1994, 50, 5000 CrossRef CAS.
  22. H. Onishi and Y. Iwasawa, Surf. Sci., 1994, 313, L783 CrossRef CAS.
  23. H. Onishi and Y. Iwasawa, Chem. Phys. Lett., 1994, 226, 111 CrossRef CAS.
  24. Y. Yamaguchi, H. Onishi and Y. Iwasawa, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1995, 91, 1661 Search PubMed.
  25. H. Onishi, K. Fukui and Y. Iwasawa, Bull. Chem. Soc. Jpn., 1995, 68, 2447 CAS.
  26. S. Fischer, A. W. Munz, K. D. Schierbaum and W. Gopel, Surf. Sci., 1995, 337, 17 CrossRef CAS.
  27. P. W. Murray, N. G. Condon and G. Thornton, Phys. Rev. B, 1995, 51, 10989 CrossRef CAS.
  28. S. Fischer, A. W. Munz, K. D. Schierbaum and W. Gopel, J. Vac. Sci. Technol. B, 1996, 14, 961 CrossRef CAS.
  29. H. Onishi and Y. Iwasawa, Phys. Rev. Lett., 1996, 76, 791 CrossRef CAS.
  30. U. Diebold, J. F. Anderson, K. O. Ng and D. Vanderbilt, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 1322 CrossRef CAS.
  31. O. Gulseren, R. James and D. W. Bullett, Surf. Sci., 1997, 377–379, 150 CrossRef CAS.
  32. P. W. Murray, F. M. Leibsle, H. J. Fisher, C. F. J. Flipse, C. A. Muryn and G. Thornton, Phys. Rev. B, 1992, 46, 12877 CrossRef CAS.
  33. P. W. Murray, F. M. Leibsle, C. A. Muryn, H. J. Fisher, C. F. J. Flipse and G. Thornton, Surf. Sci., 1994, 321, 217 CrossRef CAS.
  34. P. W. Murray, F. M. Leibsle, C. A. Muryn, H. J. Fisher, C. F. J. Flipse and G. Thornton, Phys. Rev. Lett., 1994, 72, 689 CrossRef CAS.
  35. P. W. Murray, J. K. Gimzewski, R. R. Schittler and G. Thornton, Surf. Sci., 1996, 367, L79 CrossRef CAS.
  36. P. W. Murray, J. Shen, N. G. Condon, S. J. Pang and G. Thornton, Surf. Sci., 1997, 380, L455 CrossRef CAS.
  37. N. G. Condon, P. W. Murray, F. M. Leibsle, G. Thornton, A. R. Lennie and D. J. Vaughan, Surf. Sci., 1994, 310, L609 CrossRef CAS.
  38. N. G. Condon, F. M. Leibsle, A. R. Lennie, P. W. Murray, D. J. Vaughan and G. Thornton, Phys. Rev. Lett., 1995, 75, 1961 CrossRef CAS.
  39. R. Wiesendanger, I. V. Shvets, D. Burgler, G. Tarrach, H. J. Gutherodt, J. M. D. Coey and S. Graser, Science, 1992, 255, 583 CAS.
  40. G. Tarrach, D. Burgler, T. Schaub, R. Wiesendanger and H. J. Guntherodt, Surf. Sci., 1993, 285, 1 CrossRef CAS.
  41. R. Jansen, V. A. M. Brabers and H. van Kempen, Surf. Sci., 1995, 328, 237 CrossRef CAS.
  42. A. R. Lennie, N. G. Condon, F. M. Leibsle, P. W. Murray, G. Thornton and D. J. Vaughan, Phys. Rev. B, 1996, 53, 10244 CrossRef CAS.
  43. N. G. Condon, F. M. Leibsle, T. Parker, A. R. Lennie, D. J. Vaughan and G. Thornton, Phys. Rev. B, 1997, 55, 15885 CrossRef CAS.
  44. F. M. Leibsle, P. W. Murray, N. G. Condon and G. Thornton, J. Phys. D: Appl. Phys., 1997, 30, 741 CrossRef CAS.
  45. H. Onishi and Y. Isawara, Langmuir, 1994, 10, 4414 CrossRef CAS.
  46. H. Onishi and Y. Isawara, Surf. Sci., 1996, 357–358, 773 CrossRef CAS.
  47. H. Onishi, Y. Yamaguchi, K. Fukui and Y. Isawara, J. Phys. Chem., 1996, 100, 9582 CrossRef CAS.
  48. F. H. Jones, R. Dixon, J. S. Foord, R. G. Egdell and J. B. Pethica, Surf. Sci., 1997, 376, 367 CrossRef CAS.
  49. J. Buisset, H.-P. Rust, E. K. Schweizer, L. Cramer and A. M. Bradshaw, Surf. Sci., 1996, 349, L147 CrossRef CAS.
  50. J. Tersoff and D. R. Hamann, Phys. Rev. Lett., 1983, 50, 1998 CrossRef CAS.
  51. G. Doyen, E. Kotter, J. P. Vigneron and M. Scheffler, Appl. Phys. A, 1990, 51, 281 Search PubMed.
  52. P. Sautet and C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 1991, 185, 23 CrossRef CAS.
  53. P. Sautet, J. C. Dunphy, D. F. Ogletree, C. Joachim and M. Salmeron, Surf. Sci., 1994, 315, 127 CrossRef CAS.
  54. H. Galloway, P. Sautet and M. Salmeron, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11 145 CrossRef CAS.
  55. V. P. S. Awana, S. B. Samanta, P. K. Dutta, E. Gmelin and A. V. Narlikar, J. Phys.: Condens. Matter, 1991, 3, 8893 CrossRef CAS.
  56. C. K. Shih, R. M. Feenstra and G. V. Chandrashekhar, Phys. Rev. B, 1991, 43, 7913 CrossRef CAS.
  57. Y. S. Luo, Y. N. Yang and J. H. Weaver, Phys. Rev. B, 1992, 46, 1114 CrossRef CAS.
  58. Z. Zhang and C. M. Lieber, Phys. Rev. B, 1992, 46, 5845 CrossRef CAS.
  59. M. Oda, C. Manabe and M. Ido, Phys. Rev. B, 1996, 53, 2253 CrossRef CAS.
  60. Ch. Renner and O. Fischer, Phys. Rev. B, 1995, 51, 9208 CrossRef CAS.
  61. X. L. Wu, Y. L. Wang, Z. Zhang and C. M. Lieber, Phys. Rev. B, 1991, 43, 8729 CrossRef CAS.
  62. Z. Zhang, C.-C. Chen and C. M. Lieber, Phys. Rev. B, 1992, 45, 982 CrossRef.
  63. Z. Zhang, C. M. Lieber, D. S. Ginley, R. J. Baughman and B. Morosin, J. Vac. Sci. Technol. B, 1991, 9, 1009 CrossRef CAS.
  64. P. K. Dutta, S. B. Samanta, A. V. Narlikar, C. Chen, J. W. Hodby and B. M. R. Wanklyn, Philos. Mag. A, 1992, 66, 507 Search PubMed.
  65. L. E. C. Van de Leemput, P. J. M. Van Bentum, L. W. M. Schreurs and H. Van Kempen, Physica C, 1988, 152, 99 CrossRef CAS.
  66. L. E. C. Van de Leemput, P. J. M. Van Bentum, H. Van Kempen and L. W. M. Schreurs, Physica C, 1988, 153–155, 996 CAS.
  67. H. L. Edwards, J. T. Markert and A. L. de Lozanne, Phys. Rev. Lett., 1992, 69, 2967 CrossRef CAS.
  68. H. L. Edwards, D. J. Derro, A. L. Barr, J. T. Markert and A. L. de Lozanne, Phys. Rev. Lett., 1995, 75, 1387 CrossRef CAS.
  69. I. Maggio-Aprile, Ch. Renner, A. Erb, E. Walker and O. Fischer, Phys. Rev. Lett., 1995, 75, 2754 CrossRef CAS.
  70. S. Ikebe, K. Suzuki and H. Nishikawa, Jpn. J. Appl. Phys., 1992, 31, 2221 CAS.
  71. F. H. Jones, R. G. Egdell, A. Brown and F. R. Wondre, Surf. Sci., 1997, 374, 80 CrossRef CAS.
  72. J. Heil, J. Wesner, B. Lommel, W. Assmus and W. Grill, J. Appl. Phys., 1989, 65, 5220 CrossRef CAS.
  73. D. Anselmetti, R. Wiesendanger, H. J. Guntherodt and G. Gruner, Europhys. Lett., 1990, 12, 241 Search PubMed.
  74. G. Rudd, D. Novak, D. Saulys, R. A. Bartynski, S. Garofalini, K. V. Ramanujachary, M. Greenblatt and E. Garfunkel, J. Vac. Sci. Technol. B, 1991, 9, 909 CrossRef CAS.
  75. A. Zettl, L. C. Bourne, J. Clarke, M. F. Crommie, M. F. Hundley, R. E. Thompson and V. Walter, Synth. Met., 1989, 29, F445 CrossRef.
  76. U. Walter, R. E. Thomson, B. Burk, M. F. Crommie, A. Zettl and J. Clarke, Phys. Rev. B, 1992, 45, 11 474 CrossRef CAS.
  77. W. Lu, N. Nevins, M. L. Norton and G. S. Rohrer, Surf. Sci., 1993, 291, 395 CrossRef CAS.
  78. S. C. Langford, M. Zheni, L. C. Jensen and J. T. Dickinson, J. Vac. Sci. Technol. A, 1990, 8, 3470 CrossRef CAS.
  79. T. Matsumoto, H. Tanaka, T. Kawai and S. Kawai, Surf. Sci., 1992, 278, L153 CrossRef CAS.
  80. Y. Liang and D. A. Bonnell, Surf. Sci., 1993, 285, L510 CrossRef CAS.
  81. H. Tanaka, T. Matsumoto, T. Kawai and S. Kawai, Surf. Sci., 1994, 318, 29 CrossRef CAS.
  82. Q. Jiang and J. Zegenhagen, Surf. Sci., 1996, 367, L42 CrossRef CAS.
  83. H. Bando, T. Shimitzu, Y. Aiura, Y. Harauyama, K. Oka and Y. Nishihara, J. Vac. Sci. Technol. B, 1996, 14, 1060 CrossRef CAS.
  84. R. L. Smith, W. Lu and G. S. Rohrer, Surf. Sci., 1995, 322, 293 CrossRef CAS.
  85. R. L. Smith, G. S. Rohrer, K. S. Lee, D. K. Seo and M. H. Whangbo, Surf. Sci., 1996, 367, 87 CrossRef CAS.
  86. R. A. Goschke, K. Vey, M. Maier, U. Walter, E. Goering, M. Klemm and S. Horn, Surf. Sci., 1996, 348, 305 CrossRef CAS.
  87. M. L. Norton, J. G. Mantovani and R. J. Warmack, J. Vac. Sci. Technol. A, 1989, 7, 2898 CrossRef CAS.
  88. G. S. Rohrer, W. Lu, R. L. Smith and A. Hutchinson, Surf. Sci., 1993, 292, 261 CrossRef CAS.
  89. R. L. Smith and G. S. Rohrer, J. Solid State Chem., 1996, 124, 104 CrossRef CAS.
  90. M. R. Castell, P. L. Wincott, N. G. Condon, C. Muggelberg, G. Thornton, S. L. Dudarev, A. P. Sutton and G. A. D. Briggs, Phys. Rev. B, 1997, 55, 7859 CrossRef CAS.
  91. M. R. Castell, C. Muggelberg, G. A. D. Briggs and D. T. Goddard, J. Vac. Sci. Technol. B, 1996, 14, 966 CrossRef CAS.
  92. C. Muggelberg, M. R. Castell, G. A. D. Briggs and D. T. Goddard, Proc. 4th Nordic Conf. Surf. Sci, ed. S. Raaen and J. Bremer, 1997, p. 103 Search PubMed.
  93. M. Baumer, D. Cappus, H. Kuhlenbeck, H. J. Freund, G. Wilhelmi, A. Brodde and H. Neddermeyer, Surf. Sci., 1991, 253, 116 CrossRef.
  94. F. Rohr, M. Baumer, H. J. Freund, J. A. Meijas, V. Staemmler, S. Muller, L. Hammer and K. Heinz, Surf. Sci., 1997, 372, L291 CrossRef CAS.
  95. N. M. D. Brown and H. You, Surf. Sci., 1990, 233, 317 CrossRef CAS.
  96. C. A. Ventrice, H. Hannemann, A. Brodde and H. Neddermeyer, Phys. Rev. B, 1994, 49, 5773 CrossRef CAS.
  97. H. C. Galloway, J. J. Benitez and M. Salmeron, J. Vac. Sci. Technol. A, 1994, 12, 2302 CrossRef CAS.
  98. C. Xu and D. W. Goodman, Chem. Phys. Lett., 1996, 263, 13 CrossRef CAS.
  99. Th. Bertrams, F. Winkelman, Th. Uttich, H. J. Freund and H. Neddermeyer, Surf. Sci., 1995, 331–333, 1515 CrossRef CAS.
  100. J. Libuda, F. Winkelman, M. Baumer, H. J. Freund, Th. Bertrams, H. Neddermeyer and K. Muller, Surf. Sci., 1994, 318, 61 CrossRef CAS.
  101. M. Baumer, J. Libuda, A. Sandell, H. J. Freund, G. Graw, Th. Bertrams and H. Neddermeyer, Ber. Bunsen-Ges. Phys. Chem., 1995, 99, 1381.
  102. S. Stemple, M. Baumer, M. Frank, J. Libuda and H. J. Freund, Proc. 4th Nordic Conf. Surf. Sci., ed. S. Raaen and J. Bremer, 1997, p. 112 Search PubMed.
  103. J. B. Pethica, Phys. Rev. Lett., 1986, 57, 3235 CrossRef CAS.
  104. M. Kielwein, K. Saiki, G. Roth, J. Fink, G. Paasch and R. G. Egdell, Phys. Rev. B, 1995, 51, 10320 CrossRef CAS.
  105. D. W. Bullett, J. Phys. C, 1983, 16, 2197 CrossRef CAS.
  106. M. C. Wu and P. J. Moller, Surf. Sci., 1989, 224, 265 CrossRef.
  107. Q. Guo, I. Cocks and E. M. Williams, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 3851 CrossRef CAS.
Click here to see how this site uses Cookies. View our privacy policy here.