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L'état actuel des connaissances concernant les surfaces de l'oxyde de fer, de la magnétite (Fe3O4), de la maghemite (γ-Fe2O3), de l'hématite (α-Fe2O3) et de la wüstite (Fe1-xO) est revu. Le document commence par un résumé des applications où les surfaces Oxyde de fer jouent un rôle majeur, y compris la corrosion, la catalyse, la spintronique, les nanoparticules magnétiques (MNP), la biomédecine, l'étincelle photoélectrique chimique et l'assainissement des eaux souterraines. La structure en vrac et les propriétés sont ensuite brièvement présentées; chaque composé est basé sur un réseau d'anions fermé, avec une répartition différente et l'état d'oxydation des cations Fe dans les sites interstitiels. La chimie des défauts en vrac est dominée par des postes vacants et des interstitiels (pas de vacance d'oxygène), ce qui permet de comprendre les surfaces d'Oxyde de fer, qui représentent la ligne de front dans les processus de réduction et d'oxydation. Fe se diffuse à l'intérieur et à l'extérieur du volume en réponse au potentiel chimique de l'O2, formant parfois des phases intermédiaires complexes à la surface. Par exemple, l'α-Fe2O3 adopte des surfaces semblables à Fe3O4 dans des conditions de réduction, et Fe3O4 adopte des structures semblables à Fe1-xO dans d'autres conditions de réduction encore. On fait valoir que les structures connues de défauts en vrac sont un excellent point de départ dans la construction de modèles pour les surfaces Oxyde de fer.

La structure à l'échelle atomique des surfaces à faible indice d'Oxyde de fer est l'axe principal de cette revue. Fe3O4 est l'Oxyde de fer le plus étudié en sciences de la surface, principalement parce que sa gamme de stabilité correspond parfaitement à l'environnement ultra-vide. Il est également un conducteur électrique, ce qui permet d'étudier avec les méthodes scientifiques les plus couramment utilisées, telles que les spectroscopies de photoémission (XPS, UPS) et la microscopie à tunnel à balayage (STM). L'impact des surfaces sur la mesure des propriétés en vrac telles que le magnétisme, la transition Verwey et la demi-métallicité (prédite) est discuté.

La surface Oxyde de fer la mieux comprise actuellement est probablement Fe3O4 (100); la structure est connue avec un haut degré de précision et les principaux défauts et propriétés sont bien caractérisés. Un facteur majeur en cela est qu'une terminaison au plan de Feoct-O peut être préparée de manière reproductible par une variété de méthodes, tant que la surface est recuite dans 10-7-10-5 mbar O2 au stade final de préparation. Une telle préparation directe d'une terminaison monophase n'est généralement pas le cas pour les surfaces Oxyde de fer. Tous les éléments de preuve disponibles suggèrent que la reconstruction de l'δ2 × √2 (√2 × √2) résulte d'un réarrangement du réseau de cations dans la cellule unitaire la plus externe dans laquelle deux cétons octaédriques sont remplacés par un interstitiat tétraédrique, un motif conceptuellement similaire au bien- Les défauts connus de Koch-Cohen dans Fe1-xO. La carence en cation résulte de la stoechiométrie Fe11O16, ce qui correspond au potentiel chimique en ultra-vide élevé (UHV), qui est proche de la frontière entre les phases Fe3O4 et Fe2O3.

La surface Fe3O4 (111) est également très étudiée, mais deux terminaisons de surface différentes existent étroitement en énergie et peuvent coexister, ce qui rend la préparation des échantillons et l'interprétation des données un peu compliquées. Les surfaces Fe3O4 (100) et Fe3O4 (111) présentent des terminaisons riches en Fe lorsque la lisière d'échantillon devient réduite. La surface Fe3O4 (110) forme une reconstruction unidimensionnelle (1 × 3) liée au nanofactage, qui expose la surface plus stable de Fe3O4 (111). L'α-Fe2O3 (0001) est la surface de l'hémathe la plus étudiée, mais les difficultés à préparer des surfaces stoechiométriques dans des conditions UHV ont entravé une détermination définitive de la structure. Il existe des preuves pour au moins trois terminaisons: une terminaison en vrac au niveau de l'oxygène, une terminaison avec la moitié de la couche de cation et une terminaison avec des groupes de ferryl. Lorsque la surface est réduite, on forme la structure dite «bi-phase», qui se transforme finalement en une terminaison de type Fe3O4 (111). La structure de la surface biphasée est controversée; un modèle largement accepté d'îles coexistantes Fe1-xO et α-Fe2O3 (0001) a été récemment mis au défi et une nouvelle structure basée sur un film mince de Fe3O4 (111) sur α-Fe2O3 (0001) a été proposée. Les mérite des modèles concurrents sont discutés. La surface "R-cut" α-Fe2O3 (11¯02) est recommandée comme une excellente perspective pour une étude future étant donné sa facilité de préparation et sa prévalence en nanomatériau.

Dans les dernières sections, la documentation concernant l'adsorption sur Oxyde de fer est revue. Tout d'abord, on discute l'adsorption de molécules (H2, H2O, CO, CO2, O2, HCOOH, CH3OH, CCl4, CH3I, C6H6, SO2, H2S, éthylbenzène, styrène et Alq3) et on tente de relier cette information aux réactions dans lesquelles on utilise Oxyde de fer comme catalyseur (changement de gaz d'eau, Fischer-Tropsch, déshydrogénation de l'éthylbenzène en styrène) ou des supports de catalyseur (oxydation du CO). Les interactions connues des surfaces d'Oxyde de fer avec des métaux sont décrites, et il est démontré que le comportement est déterminé par le fait que le métal forme une phase ternaire stable avec l'Oxyde de fer. Ceux qui ne le font pas, (par exemple, Au, Pt, Ag, Pd) préfèrent former des particules tridimensionnelles, tandis que le reste (Ni, Co, Mn, Cr, V, Cu, Ti, Zr, Sn, Li, K, Na , Ca, Rb, Cs, Mg, Ca) incorporent dans le réseau d'oxyde. La température d'incorporation varie avec la chaleur de formation de l'oxyde métallique le plus stable. Un effort particulier est fait pour souligner les mécanismes responsables de la stabilité thermique extraordinaire des adatomes métalliques isolés sur les surfaces Fe3O4 et l'application potentielle de ce système modèle pour comprendre la catalyse à un seul atome et la catalyse sous-nano en grappe est discutée. L'examen se termine par un bref résumé, et une perspective est offerte, y compris des lignes passionnantes de recherches futures.

Cet article provient de l'édition sciencedirect publiée