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Structure de la surface (010) de Al 13 Fe 4 Émilie Gaudry Institut Jean Lamour / École des Mines de Nancy UMR 7198 CNRS - Université de Lorraine http://gaudry6.blog.univ-lorraine.fr GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 1/16

Fe Structure dela surface(010) deAl · 2013. 2. 21. · Structure dela surface(010) deAl13Fe4 Émilie Gaudry ... Chimie et Physique des Solides et des Surfaces Science et Ingénierie

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Structure de la surface (010) de Al13Fe4Émilie Gaudry

Institut Jean Lamour / École des Mines de Nancy

UMR 7198 CNRS - Université de Lorraine

http://gaudry6.blog.univ-lorraine.fr

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 1/16

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Institut Jean Lamour - UMR7198IJL, UMR 7198 CNRS - Université de Lorraine

≃ 450 personnes

dont ≃ 180 chercheurs / enseignants chercheurs

4 départements:

Physique de la Matière et des Matériaux

Chimie et Physique des Solides et des Surfaces

Science et Ingénierie des Matériaux et Métallurgie

Nanomatériaux, électronique et vivant

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 2/16

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Équipe Métallurgie et Surfaces

5 permanents: Jean-Marie Dubois, Vincent Fournée, Julian Ledieu, Marie-Cécile de

Weerd, Émilie Gaudry.

Alliages métalliques complexes: volume, interfaces, surfaces, films minces

Moyens: Cluster de calcul de l’IJL / IDRIS + plateformes expérimentales

Al4 C

u9

QuasicrystalH

oMgZ

n

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 3/16

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Introduction

Structure de la surface (010) de Al13Fe4,

approximant des quasicristaux décagonaux (d-QC)

Réactivité chimique: semi-hydrogénation de l’acétylène

Interaction de la structure 3D du système massif avec la structure 2D de surface

Al4Cu9 40 50 60 70 80 90 100 110Conversion (%)

0

20

40

60

80

100

Sele

ctiv

ity (

%)

Industrial benchmark

Pd/Al2O

3

Pd20

Ag80

PdGaPd

3Ga

7

CMA catalysts

o-Al13

Co4

Al13

Fe4

J. Osswald et al., J. Catal., 258 (2008) 219

M. Armbruester et al., Eur. Patent 09157875.7 (2009)M. Armbruester et al., Nat. Mat., 3347 (2012)

Une description détaillée de la structure de surface est nécessaire pour la

compréhension des propriétés de surfaceGDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 4/16

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Introduction

Structure de la surface (010) de Al13Fe4,

approximant des quasicristaux décagonaux (d-QC)

Réactivité chimique: semi-hydrogénation de l’acétylène

Interaction de la structure 3D du système massif avec la structure 2D de surface

40 50 60 70 80 90 100 110Conversion (%)

0

20

40

60

80

100

Sele

ctiv

ity (

%)

Industrial benchmark

Pd/Al2O

3

Pd20

Ag80

PdGaPd

3Ga

7

CMA catalysts

o-Al13

Co4

Al13

Fe4

J. Osswald et al., J. Catal., 258 (2008) 219

M. Armbruester et al., Eur. Patent 09157875.7 (2009)M. Armbruester et al., Nat. Mat., 3347 (2012)

Une description détaillée de la structure de surface est nécessaire pour la

compréhension des propriétés de surfaceGDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 5/16

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Structure of the decagonal approximant Al13Fe4

Crystal structure C2/m(mC102): a = 15.492 Å, b = 8.078 Å, c = 12.471 Å, β = 107.69(1)0

Stacking of flat (17 Al + 8 Fe) and puckered (22 Al + 4 Fe) atomic layers along the [010] direction

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 6/16

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Structure of the decagonal approximant Al13Fe4

High symmetry atomic clusters (PB) as structural building blocks

PB = 23 atom cluster (16 Al + 7 Co)

Columns of PB altern. with junction layer

Fe-Al-Fe molecule aligned along [010]

Grin et al., Z. Kristallogr., 209 (1994) 479

Grin et al., CMA, Wiley (2010).

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 7/16

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Al 13Fe4: Experimental Results

Single crystal by the Czochralski method (P. Gille et al, Crystal research and technology, 43 (2008) 1161)

Surface preparation: cycles of Ar+ bombardment / annealing

No surface reconstruction (From LEED ac= 1.24, in agree. with Grin et al., Z. Kristallogr., 209 (1994)

Angle-dependent XPS (not shown here) demonstrates that surface segregation

can be disregarded.

Step height measurements (≃ b/2) highlight a surface plane selection

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 8/16

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Al 13Fe4: Surface Plane Selection

Step height measurements (≃ b/2)

highlight a surface plane selection

High corrugation

Surface atomic density

Surface composition

Selection of the

P plane

DFT calculations (PAW-PBE)

Calc. Exp.

a = 15.43 Å a = 15.49 Å

b = 8.03 Å b = 8.08 Å

c = 12.43 Å c=12.47 Å

β = 1040 β = 1070

8-layers asymetric slabs

Tersoff-Hamann approximationGDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 9/16

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Al 13Fe4: Surface Plane Selection

Step height measurements (≃ b/2)

highlight a surface plane selection

High corrugation

Surface atomic density

Surface composition

Selection of the

P plane

Complete P planeDFT calculations (PAW-PBE)

Calc. Exp.

a = 15.43 Å a = 15.49 Å

b = 8.03 Å b = 8.08 Å

c = 12.43 Å c=12.47 Å

β = 1040 β = 1070

8-layers asymetric slabs (≃ 200 at.)

Tersoff-Hamann approximationGDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 10/16

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Al 13Fe4: Surface Plane Selection

Complete P plane Incomplete P plane

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 11/16

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High Resolution STM

Exp. STM images (5×5 nm)

Calc.: Desorption of

surface Al glue atoms

≃ 0.6 eV (µAl = µAlbulk )

E0 E1 = E0 + 4.40 + µAl E1 + 4.33 + µAl

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 12/16

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Al 13Fe4: Surface Electronic Structure

High corrugated surface (partial exposition of the F subsurface layer)

DOS dominated by the Fe d-states

Consistency between the experimental data and the calculated DOSGDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 13/16

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Conclusion

Surface plane selection: Surfaces form at specific bulk planes charact. by a high atomic density and

a high content of the lowest surf. energy element / Consistent with the “plane selection rules” for QCs

Interplay of the 3D cluster structure with the 2D surface:

Compound Surface Pure Bulk trunc. 3D struct. preserv. Ref.

Al13Fe4 built from the P layer no yes PRL

High corrugated surface (2013)

o-Al13Co4 Built from the P layer almost yes no PRB 84 (2011)

(Czochralski) Pure Al plane as surf. term. without surf. Co at. 085411

o-Al13Co4 Pmn21 (oP102)

Reactivity: active sites might be the isolated Fe atoms protruding above pentagonal motifs

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 14/16

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Conclusion

Surface plane selection: Surfaces form at specific bulk planes charact. by a high atomic density and

a high content of the lowest surf. energy element / Consistent with the “plane selection rules” for QCs

Interplay of the 3D cluster structure with the 2D surface:

Compound Surface Pure Bulk trunc. 3D struct. preserv. Ref.

Al13Fe4 built from the P layer no yes PRL

High corrugated surface (2013)

o-Al13Co4 Built from the P layer almost yes no PRB 84 (2011)

(Czochralski) Pure Al plane as surf. term. without surf. Co at. 085411

Role of the chemical bonding:

EAlTMstrength = Elac−AlTM

f − (Elac−Alf +Elac−TM

f )

EAlCostrength = −0.31eV

EAlFestrength = −0.66eV

Reactivity: active sites might be the isolated Fe atoms protruding above pentagonal motifs

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 15/16

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Aknowledgments

S. Alarcón Villaseca, L. Serkovic Loli, R. Addou, J. Ledieu, M.-C. de

Weerd, V. Fournée, J.-M. DuboisInstitut Jean Lamour, École des Mines, 54042 Nancy, France

P. Gille and M. HahneLudwig-Maximilians Universität, Theresienstr. 41, München, Germany

Y. Grin

Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, Nöthnitzer Str. 40, Dresden, Germany

Thank you for your attention!

GDR ModMat, Février 2013, Marseille – p. 16/16