TiO2(001)면에서 Ti 결함의 확산과 산화: 결정면에 대한 의존성

Abstract

방사광 가속기에서 얻은 x-선을 이용하여 초고진공에서 열처리를 통하여 얻어진 <TEX>$TiO_2$</TEX> (001) 단결정 표면의 원자가 전자대에 대한 광전자 분광연구를 수행하였다. 이 연구를 통하여 특히 페르미 준위 0.9 eV 근처에 있는 결함에 기인한 전자 상태의 변화로 부터 <TEX>$Ti^{3+}$</TEX> 결함의 산화 또는 열확산 과정에 대한 반응 속도론적 특성을 연구하였다. 본 연구의 결과는 (001)면에서의 <TEX>$Ti^{3+}$</TEX> 결함의 열역학적 특성이 <TEX>$TiO_2$</TEX> (110) 단결정면에서의 그것과 어떻게 다른지를 규명하는데 큰 의미가 있다. 연구 결과, (001)과 (110) 결정면에서의 <TEX>$Ti^{3+}$</TEX> 결함의 거동은 산화 반응성과 결정 내에서의 열적 확산 특성에서 매우 유사하다는 것을 알게 되었다. 이와 같은 결과를 얻게 된 주된 이유 중의 하나는 관여하는 <TEX>$Ti^{3+}$</TEX> 결함이 주로 표면 근처에 분포되어 있다는데서 찾을 수 있다. Valence band of a vacuum-reduced <TEX>$TiO_2$</TEX> (001) surface has been carefully examined using synchrotron x-ray photoelectron spectroscopy to investigate variation of the gap state upon oxidation and thermal diffusion of <TEX>$Ti^{3+}$</TEX> interstitials from the bulk. We compare our results with that obtained from <TEX>$TiO_2$</TEX> (110) and aim to address a crystal-face dependency in the oxidation and diffusion rates of <TEX>$Ti^{3+}$</TEX> interstitials. We find very similar behaviors in the oxidation and thermal diffusion rate of <TEX>$Ti^{3+}$</TEX> interstitials between the two crystal faces suggesting a negligible crystal-face dependency in this case.