In situ-Studie der Goethit-Hämatit-Phasenumwandlung durch zeitgleiche Synchrotron-Pulverdiffraktion

Goethit (010), (110) und (111) Wachstumsoberflächen sowie (010) Spaltflächen großer, natürlicher Einkristalle und eine synthetische Probe mit hoher Oberfläche wurden mit verschiedenen oberflächenempfindlichen Mikroskopien und Spektroskopien charakterisiert. Die Charakterisierung der natürlichen Einkristallflächen mittels Differenzieller Interferenzkontrast- und Rasterkraftmikroskopie zeigte Mikrotopographie, die auf Wachstum, Auflösung und Spaltung hinweist. Niedrigenergieelektrondiffraktionsmuster der Goethit (010)-Oberfläche zeigen scharfe, intensive Diffraktionspunkte, was auf eine langreichweitige Ordnung auf dieser wichtigen Oberfläche hindeutet. Diese Muster haben eine zweidimensionale Punktgruppensymmetrie 2mm, was mit einer unverzerrten Oberflächenstruktur und Einheitszellenparametern a = 4.62 0.14 und c = 2.99 0.08 übereinstimmt. Diese Parameter entsprechen den äquivalenten Volumenzellenabmessungen unter Berücksichtigung der Unsicherheiten. Ultra-hochvakuum Rastertunnelmikroskopie wurde an (010) Spaltflächen durchgeführt, obwohl die Tunnel Eigenschaften der Oberfläche sehr heterogen waren. Atomare Auflösung wurde nicht erreicht; jedoch sind die mikrotopographischen Bilder identisch mit denen, die mit AFM gesammelt wurden. XPS-Spektren von den (010)-Flächen zweier natürlicher Proben sowie dem synthetischen Pulver haben alle Spitzenmaxima für Fe (2p 3/2) bei 711.5 0.1 eV. Die O(1s)-Linie, die vom Goethit stammt, kann mit zwei Spitzen mit einer chemischen Verschiebung von 1.3 eV angepasst werden. Die Spitze bei höherer Bindungsenergie (531.3 eV 0.1 eV) repräsentiert den protonierten Sauerstoff in der Struktur, und die Spitze bei niedrigerer Bindungsenergie (530.0 eV 0.1 eV) repräsentiert den protonfreien Sauerstoff in der Struktur. Ab initio und semi-empirische Modelle der (010)-Oberfläche deuten darauf hin, dass die Spaltung durch die Hydroxid-Ebene bei 1/4 b in der Struktur erfolgt. Dies steht im Gegensatz zur Spaltung durch die Oxidebene bei 1/2 b, die in mehreren vorherigen Studien angenommen wurde.