Chemical and electronic structures of cobalt oxynitride films deposited by NH3vs. N2 plasma: theory vs. experiment

文献情報

出版日 2020-10-19
DOI 10.1039/D0CP04168H
インパクトファクター 3.676
著者

Adaeze Osonkie, Veronica Lee, Adeola Oyelade, Maximillian Mrozek-McCourt, Precious Chukwunenye, Teresa D. Golden, Thomas R. Cundari, Jeffry A. Kelber


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要旨

The chemical structures of Co oxynitrides – in particular, interactions among N and O atoms bonded to the same cobalt – are of great importance for an array of catalytic and materials applications. X-ray diffraction (XRD), core and valence band X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and plane wave density functional theory (DFT) calculations are used to probe chemical and electronic interactions of nitrogen-rich CoO1−xNx (x > 0.7) films deposited on Si(100) using NH3 or N2 plasma-based sputter deposition or surface nitridation. Total energy calculations indicate that the zinc blende (ZB) structure is energetically favored over the rocksalt (RS) structure for x > ∼0.2, with an energy minimum observed in the ZB structure for x ∼ 0.8–0.9. This is in close agreement with XPS-derived film compositions when corrected for surface oxide/hydroxide layers. XRD data indicate that films deposited on Si(100) at room temperature display either a preferred (220) orientation or no diffraction pattern, and are consistent with either rocksalt (RS) or zinc blende (ZB) structure. Comparison between experimental and calculated X-ray excited valence band densities of states – also similar for all films synthesized herein – demonstrates a close agreement with a ZB, but not an RS structure. Core level XPS spectra exhibit systematic differences between films deposited in NH3 vs N2 plasma environments. Films deposited by N2 plasma magnetron sputtering exhibit greater O content as evidenced by systematic shifts in N 1s binding energies. Excellent agreement with experiment for core level binding energies is obtained for DFT calculations based on the ZB structure, but not for the RS structure. The agreement between theory and experiment demonstrates that these N-rich Co oxynitride films exhibit the ZB structure, and forms the basis of a predictive model for understanding how N and O interactions impact the electronic, magnetic and catalytic properties of these materials.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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