Die Herstellung von ultradünnen Germaniumdioxidfilmen auf Metallsubstraten ist erstmals erfolgreich gelungen. Die Filmstruktur konnte mittels oberflächensensitiven Techniken mit atomarer Präzision und chemischer Sensitivität aufgelöst werden. Zur Untersuchung werden STM-Bilder analysiert und durch niederenergetische Elektronenbeugung (LEED), eine dynamischen LEED-Studie und extern ausgeführte Dichtefunktionaltheorieberechnungen (DFT) ergänzt. In dieser Arbeit werden atomar aufgelöste Rastertunnelmikroskopiebilder (STM) von ultradünnen Germaniumdioxid- und Siliziumdioxidfilmen direkt verglichen. Ziel der Analyse ist es, den Einfluss des Metallsubstrats auf die Struktur von Oxidfilmen zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden ultradünne Germaniumdioxid-Filme auf Ru(0001), Pt(111) und Au(111) abgeschieden und mit Siliziumdioxid-Filmen auf verschiedenen Substraten verglichen, die in früheren Studien untersucht wurden. Germaniumdioxid und Siliziumdioxid sind eng miteinader verknüpft. Hierbei sind Struktur und chemische Eigenschaften als äquivalent anzusehen. Es wurden drei verschiedene Netzwerkstrukturen aufgeklärt: Monolagen-, Zickzack- und Bilagenfilme. Die einzelnen Bausteine in diesen Filmsystemen bestehen aus verzerrten Tetraedern, in denen ein Germaniumatom von vier Sauerstoffatomen umgeben ist. Benachbarte Tetraeder sind durch Ge-O-Ge-Bindungen miteinander verknüpft und binden im Fall der Monolagenfilme an das darunterliegende Metallsubstrat. In Bilagenfilmen hingegen gibt es keine chemischen Bindungen zum Substrat, wodurch die Filmstruktur flexibler wird. Durch Variation der Herstellungsbedingungen kann man rein kristalline, amorphe oder Phasen mittlerer Ordnung erhalten. Es ist wichtig hervorzuheben, dass der amorphe Germaniumdioxid-Bilagenfilm ein neues amorphes zweidimensionales Material darstellt. / The preparation of metal-supported ultrathin films of germanium dioxide, termed also germania, has been successfully achieved for the first time. The structure of the films is elucidated with atomic precision and chemical sensitivity using surface science techniques. The investigation is performed by analyzing STM images and is complemented by low-energy electron diffraction (LEED) patterns, a dynamical LEED study, and external support from density functional theory (DFT) calculations. In this work, we compare side-by-side atomically-resolved scanning tunneling microscopy (STM) images of ultrathin films of germania and silica. The analysis aims to investigate the impact of the metal support on the structure of oxide films. For that purpose, ultrathin germania films are grown on Ru(0001), Pt(111) and Au(111), and compared with previously reported silica ultrathin films supported on different substrates. Germania has been widely associated with silica since they are considered to be structural and chemical equivalent materials. Three main network structures have been characterized: monolayer, zigzag and bilayer films. In all systems, the building block consists of a distorted tetrahedron with a germanium atom surrounded by four oxygen atoms. Adjacent tetrahedra connect to each other through Ge-O-Ge bonds and, in the case of the monolayer films, they also bind to the metal support. Conversely, in bilayer films there are no chemical bonds to the metal substrate, thus providing more flexibility to the film structure. Through a meticulous control of the preparation conditions one can obtain a purely crystalline phase, an amorphous one, or one with intermediate order. It is important to highlight that the amorphous germania bilayer film represents a new 2-dimensional amorphous material.

Glass production has historically occurred at around 50 glassworks in Sweden, in a region known as the Kingdom of Crystals (Glasriket). Today, most of these sites are no longer active and left behind is glass waste of different forms (both as fragments of finished glass as well as unrefined glass melts). Consequently, increased concentrations of different metals, especially arsenic, lead and cadmium, have been found around the sites, both in soil as well as in ground and surface water. Between 2016 and 2019, the Geological Survey of Sweden (SGU) assigned Golder Associates AB (Golder) to evaluate the environmental risks at three different glassworks: Flerohopp, Åryd and Alsterbro. The results, based on humidity cell tests (HCT) conducted on glass samples from each site, showed that glass itself leached to a surprisingly high extent. Based on this, the aim of this master thesis has been to explain trends in glass leaching by a thorough literature review and through the analysis of HCT data of glass samples. Additionally, the speciation of different metals in the leachate was investigated based on geochemical modelling using PHREEQC. Results from the literature review show that one of the possible mechanisms for the leaching of glass in contact with water is ion exchange, which occurs at the surface of the glass, namely between glass components and H+ ions in water. Additionally, the literature also argues that glass with higher silica content form a more resilient structure, in contrast to glass which contains a large amount of modifiers, such as Na and Ca. Researchers speculate that adding such modifiers to the glass mass opens up the structure, making it more vulnerable upon contact with water. Looking at the total concentration of elements from the three glassworks, the results show a variation in silica content in relation to other elements. In line with this hypothesis, the sample from Åryd, which contained a higher proportion of modifiers, showed a high leaching rate of both Na and Si. Furthermore, the result shows that the leaching of Na and As follows the same pattern over the HCT period for all glassworks. This is, to some extent, also the case for Pb although the correlation is not as significant. This could be explained by the result from geochemical modelling, showing that As tends to dissolve into the leachate while Pb is more prone to forming secondary minerals. Hence explaining their differences in leaching behavior. The result from this study showed no clear correlation between Ca and either As or Pb which could potentially be explained by the formation of precipitates. However, another approach to describe the difference in the behavior between Na and Ca is based on the glass structure itself as well as the hypothesis that Na+ participate in ion exchange to a larger extent than Ca2+. Consequently, the leaching of Na+ makes the surface structure more vulnerable, thereby promoting the leaching of other components such as As and Pb. / Produktion av glas har historiskt skett på cirka 50 glasbruk i Sverige i ett område som kallas Glasriket. I dag är produktionen vid majoriteten av dessa glasbruk avvecklad och kvar på platserna finns glasavfall i olika former, både som skärvor av färdigt glas och som ej färdigställd glasmassa. Som en konsekvens av detta har förhöjda halter av olika metaller, särskilt arsenik, bly och kadmium, påträffats i jorden såväl som i grund- och ytvattnet kring glasbruken. Mellan åren 2016 och 2019 gav Sveriges geologiska undersökning (SGU) i uppdrag till Golder Associates AB (Golder) att uträtta huvudstudier och bedömma risker vid tre olika glasbruk, Flerohopp, Åryd och Alsterbro. Resultaten, baserade på fuktkammarförsök på glassavfall, påvisade att glas lakade till en överraskande hög utsträckning. Detta resultat lade grunden till detta examensarbete med frågeställningar i syfte att förklara lakning av glas baserat på en genomgående litteraturstudie samt analys av resultat från fuktkammarförsöken. Vidare har även geokemisk modellering med programmet PHREEQC gjorts för att identifiera olika specifieringar av metaller som kan förväntas påträffas i lakvätskan. Resultat från litteraturstudien visar att en möjlig process som kan förklara lakning av glas vid kontakt med vatten är jonbyte mellan glasets beståndsdelar och H+-jonerna i vattnet. Tidigare studier påvisar att ett högre kiselinnehåll i glaset skapar en mer motståndskraftig struktur än glas som innehåller en förhållandevis hög andel modifierare, såom Na och Ca. Forskare spekularar kring huruvida tillsatsen av modifierare till glasmassan bidrar till att öppna upp glasstrukturen och som en konsekvens av detta göra strukturen mer sårbar. Vid analys av prover tagna vid de tre olika glasbruken påvisade resultaten ett varierat kiselinnehåll i förhållande till övriga ämnen. I linje med denna hypotes påvisade provet från Åryd den högsta andelen modifierare och samtidigt även den högsta lakningen av Na såväl som Si. Vidare påvisar resultatet att lakningen av Na och As följer samma mönster över hela fuktkammarförsöket. Detta kan delvis ses för Pb men korrelationen är inte lika signifikant som för As. En förklaring till detta baseras på resultat från geokemisk modellering, där As tenderar att gå i lösning medan Pb kan förväntas forma sekundära mineral vilket därmed kan antas kontrollera lakningen. Resultatet från denna studie visade ingen korrelation mellan varken Ca och As eller Ca och Pb vilket också skulle kunna förklaras av utfällningar i form av Ca-mineral i lakvätskan. En annan utgångspunkt för att beskriva den skillnad som kan ses mellan Na och Ca baseras på själva glasstrukturen och hur Na+ deltar i jonbyte till en högre grad än vad Ca2+ gör. Som en konsekvens av detta bidrar lakningen av Na+ till att ytan på glaset blir mer sårbar och på så sätt gör att ämnen som As och Pb blir mer lättåtkomliga. Detta resulterar i en större möjlighet för dessa att delta i reaktioner på ytan och därmed laka ut från strukturen.