Distribution of O atoms on partially oxidized metal targets, and the consequences for reactive sputtering of individual metal oxides

Abstract

We investigate the oxidation of a wide range of metal surfaces by ab-initio calculations. We go through a wide range of metals (Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Al) and surface oxygen coverages (Ɵo). Calculations of the adsorption energy per O atom (Eads_min) are followed by characterizing the preferred distribution of O atoms on a partially oxidized surface. We find that individual metals exhibit different Eads_min(Ɵo) dependencies and thermodynamical preferences: (i) decreasing Eads_min(Ɵo) and heterogeneous distribution of O atoms (stoichiometric oxide + metal), (ii) increasing Eads_min(Ɵo) and homogeneous distribution of O atoms (substoichiometric oxide), (iii) concave Eads_min(Ɵo), etc. This is of crucial importance for the quantities such as secondary electron emission yield. We demonstrate use of these results by presenting static and dynamic Monte Carlo simulations of sputtering.Studujeme oxidaci širokého rozsahu kovových povrchů pomocí ab-initio výpočtů pro mnoho kovů (Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Al) a stupně pokrytí jejich povrchů kyslíkem (Ɵo). Výpočty adsorpční energie na kyslíkový atom (Eads_min) jsou následovány charakterizací preferovaného rozložení atomů O na částečně zoxidovaném povrchu. Jednotlivé kovy projevují různé závislosti Eads_min(Ɵo) a termodynamické preference: (i) klesající Eads_min(Ɵo) a heterogenní rozložení atomů O (stechiometrický oxid + kov), (ii) rostoucí Eads_min(Ɵo) a homogenní rozložení atomů O (substechiometrický oxid), (iii) konkávní Eads_min(Ɵo), atd. To má zásadní důsledky pro veličiny, jako je koeficient emise sekundárních elektronů. Ukazujeme také využití těchto výsledků při statických i dynamických Monte Carlo simulacích rozprašování.