In dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen von Wasserstoff mit festen Materialien
und Oberflächen untersucht. Zunächst wird der Kontext unserer Untersuchung durch
eine kurze Einordnung in die Geschichte der Naturwissenschaften im Allgemeinen, und
der Oberflächenforschung im Speziellen, hergestellt. Anschließend wird der quanten-
mechanische Apparat, welcher nötig ist um die betrachteten Systeme zu beschreiben,
eingeführt um dann detailliert die Potentialhyperfläche der Entstehung von Wasser
durch Adsoprtion von Wasserstoff auf einer teilweise oxidierten Ruthenium(0001)
Metalloberfläche zu studieren. Zudem wird das gleiche System betrachtet, wenn die
Metalloberfläche zusätzlich von einer biatomaren, kristallinen Lage Siliziumdioxid
(SiO2 ) bedeckt ist, wodurch eine räumliche Beengung eintritt. Wir verwenden unsere
Ergebnisse zusammen mit experimentellen Beobachtungen und mathematischen Metho-
den um ein vollständig theoretisches Modell zu entwerfen und das System grundlegend
verstehen zu können. In einem weiteren Schritt werden die chemischen Änderungen der
Siliziumdioxid Doppellage untersucht, wenn das System Wasserstoffplasma ausgesetzt
wird. Es werden diverse mögliche Defektstrukturen diskutiert und mithilfe experi-
menteller Befunde die wahrscheinlichste Struktur isoliert. Im letzten Kapitel werden
die typischen Näherungen untersucht, welche notwendig sind um quantenmechanische
Methoden mit Hilfe von Computern durchführbar zu machen. Wir verwenden den
sogenannten embedded-fragment Ansatz um die Diffusionsbarriere von Wasserstoff
auf Aluminiumoxid mit chemischer Genauigkeit zu berechnen. Unsere Ergebnisse
auf dem coupled-cluster with singles, doubles and perturbative triples (CCSD(T))-
Niveau können sowohl als Referenz für experimentelle Untersuchungen, als auch für
andere quantenmechanische Methoden wie z.B. die Dichtefunktionaltheorie, angesehen
werden. / The present thesis aims at investigating the interactions of hydrogen with solid surfaces
and materials. We first offer a brief historical context for surface science, as well as
quantum mechanics and science is general, before deriving the mathematical appa-
ratus necessary to investigate our systems of interest. We then move on to explore
the potential energy surface of the water-formation-reaction on a partially oxidized
ruthenium(0001) surface when confined under a two-atom thick sheet of silica (SiO2 ).
We further employ our findings in conjunction with experimental observations and
mathematical modeling to set up a fully theoretical model of the system in order to
explain its behavior. In the second chapter we investigate the chemical alteration of
the ultra-thin silica bilayer by means of exposing it to hydrogen plasma. We elucidate
possible defects formed during the process and pin-point the most likely structure
found. In the last chapter, we investigate the possible error sources that are inherent in
quantum mechanical modeling and employ the so called embedded fragment approach
to lift the approximations up to the coupled cluster singles and doubles with perturba-
tive triples (CCSD(T)) level of theory. We then apply this methodology to the diffusion
of hydrogen on aluminum oxide to obtain a diffusion barrier of chemical accuracy that
may both be used to benchmark other approaches such as density functional theory, as
well as experimental findings.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/25768 |
| Date | 05 August 2022 |
| Creators | Thomas, Mullan |
| Contributors | Usvyat, Denis, Freund, Hans-Joachim, Meyer, Bernd |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY-SA 4.0) Attribution-ShareAlike 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ |
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