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Coverage-dependent stability of RuxSiy on Ru(0001): a comparative DFT and XPS study
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2024-11-16 , DOI: 10.1039/d4cp04069d Jonathon Cottom, Stefan van Vliet, Jörg Meyer, Roland Bliem, Emilia Olsson
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2024-11-16 , DOI: 10.1039/d4cp04069d Jonathon Cottom, Stefan van Vliet, Jörg Meyer, Roland Bliem, Emilia Olsson
This work investigates the interaction of silicon with ruthenium, extending from Si-defect centers in ruthenium bulk to the adsorption of Si on the Ru(0001) surface. Using density functional theory (DFT) we calculate the interaction energies of up to 2 monolayers (MLs) of Si with this surface, uncovering the initial formation of ruthenium silicide (RuxSiy). Our results demonstrate that Si readily forms substitutional defects (SiRu) in bulk ruthenium. These defects are further stabilized on the Ru(0001) surface, resulting in a distinct propensity for forming Ru–SiRu mixed layers – which can thus be described by stoichiometry RuxSiy. Overlayers of surface-adsorbed Si adatoms and RuxSiy mixed layers are iso-energetic at 0.5 ML, with the latter becoming increasingly energetically favored at higher Si coverages. We further examine the influence of RuxSiy formation with respect to oxide formation, focusing on coverage-dependent energy differences. Our results show RuxSiy layers are energetically favored with respect to the forming oxide for silicon and oxygen coverages above 1.1 ML, respectively. In addition, the formation of RuxSiy and the subsequent oxidation of Ru and RuxSiy were also investigated experimentally using in situ XPS. This confirmed the DFT prediction, with negligible oxide formation on the RuxSiy sample, whereas the unprotected Ru surface showed extensive RuO2 formation under the same conditions. Our study not only enhances the understanding of Ru surface chemistry but also suggests a straightforward computational approach for screening the oxidation resistance of surface coatings.
中文翻译:
RuxSiy 对 Ru(0001) 的覆盖依赖性稳定性:DFT 和 XPS 的比较研究
这项工作研究了硅与钌的相互作用,从钌块体中的 Si 缺陷中心延伸到 Ru(0001) 表面对 Si 的吸附。使用密度泛函理论 (DFT),我们计算了多达 2 个单层 (ML) 的硅与该表面的相互作用能,揭示了钌硅化物 (RuxSiy) 的初始形成。我们的结果表明,Si 很容易在块状钌中形成取代缺陷 (SiRu)。这些缺陷在 Ru(0001) 表面上进一步稳定,导致形成 Ru-SiRu 混合层的独特倾向——因此可以用化学计量法 RuxSiy 来描述。表面吸附的 Si 吸附原子和 RuxSiy 混合层的外层在 0.5 ML 时具有等能,后者在较高的 Si 覆盖率下越来越受到能量青睐。我们进一步研究了 RuxSiy 形成对氧化物形成的影响,重点关注覆盖依赖性的能量差异。我们的结果表明,对于硅和氧覆盖率高于 1.1 ML,RuxSiy 层在能量上分别受到能量青睐。 此外,还使用原位 XPS 实验研究了 RuxSiy 的形成以及随后的 Ru 和 RuxSiy 的氧化。这证实了 DFT 预测,RuxSiy 样品上的氧化物形成可以忽略不计,而未受保护的 Ru 表面在相同条件下显示出广泛的 RuO2 形成。我们的研究不仅增强了对 Ru 表面化学的理解,还提出了一种简单的计算方法来筛选表面涂层的抗氧化性。
更新日期:2024-11-18
中文翻译:
RuxSiy 对 Ru(0001) 的覆盖依赖性稳定性:DFT 和 XPS 的比较研究
这项工作研究了硅与钌的相互作用,从钌块体中的 Si 缺陷中心延伸到 Ru(0001) 表面对 Si 的吸附。使用密度泛函理论 (DFT),我们计算了多达 2 个单层 (ML) 的硅与该表面的相互作用能,揭示了钌硅化物 (RuxSiy) 的初始形成。我们的结果表明,Si 很容易在块状钌中形成取代缺陷 (SiRu)。这些缺陷在 Ru(0001) 表面上进一步稳定,导致形成 Ru-SiRu 混合层的独特倾向——因此可以用化学计量法 RuxSiy 来描述。表面吸附的 Si 吸附原子和 RuxSiy 混合层的外层在 0.5 ML 时具有等能,后者在较高的 Si 覆盖率下越来越受到能量青睐。我们进一步研究了 RuxSiy 形成对氧化物形成的影响,重点关注覆盖依赖性的能量差异。我们的结果表明,对于硅和氧覆盖率高于 1.1 ML,RuxSiy 层在能量上分别受到能量青睐。 此外,还使用原位 XPS 实验研究了 RuxSiy 的形成以及随后的 Ru 和 RuxSiy 的氧化。这证实了 DFT 预测,RuxSiy 样品上的氧化物形成可以忽略不计,而未受保护的 Ru 表面在相同条件下显示出广泛的 RuO2 形成。我们的研究不仅增强了对 Ru 表面化学的理解,还提出了一种简单的计算方法来筛选表面涂层的抗氧化性。