An Experimental Study of H2 Diffraction from Metal Surfaces

En este manuscrito se presenta una investigacion experimental de la interaccion de H2 con superficies metalicas por medio de experimentos de difraccion. Fueron realizados experimentos con haces moleculares de H2 en superficies de distintos metales para la obtencion de intensidades absolutas de difraccion. La energias para el haz molecular utilizadas quedan comprendidas en el rango 75 Ei160 me V mientras que los angulos de incidencia utilizados estuvieron en el rango 20°?i<65°. El equipo experimental utilizado en este estudio fue montado y puesto en funcionamiento como parte del trabajo de esta tesis. Este aparato permite la obtencion de intensidades absolutas de difraccion tanto en el plano como fuera del plano de dispersion. Una vez obtenidos, los resultados experimentales fueron comparados con simulaciones realizadas por distintos grupos teoricos. Experimentos de difraccion de H2 en la superficie altamente reactiva Pd(111) fueron llevados a cabo para una temperatura de la muestra de TS=430 K para evitar el recubrimiento de hidrogeno en la superficie. Debido a la baja reflectividad total elastica para esta superficie (~0.5 %) los angulos de incidencia se restringieron a ?i >50° para minimizar perdidas de la intensidad debidas a la temperatura. Mas alla del pico especular solo fueron resueltas experimentalmente intensidades de difraccion fuera del plano de dispersion, independientemente de la direccion de incidencia. Este resultado fue explicado como una consecuencia de la periodicidad del potencial de interaccion el cual, para altos ?i, favorece la difraccion fuera del plano frente a la difraccion en el plano. Por otro lado, se obtuvo un buen acuerdo entre los resultados experimentales y calculos semiclasicos y cuanticos preexistentes. El sistema H2-Pt(111) fue estudiado del mismo modo con experimentos de difraccion (TS=460 K). La reflectividad total elastica hallada en los experimentos resulto ser un orden de magnitud mayor que la obtenida para Pd(111). Esto es lo que seria de esperar teniendo en cuenta que esta superficie presenta una barrera para la disociacion de H2 . Intensidades absolutas de difraccion fueron medidas para Epar=Ei sin2?i =55 meV. Aunque, en este caso, intensidades de difraccion en el plano fueron resueltas experimentalmente, altas intensidades de difraccion fueron medidas fuera del plano de dispersion. Asimismo, se llevo a cabo un estudio de la atenuacion termica de las intensidades de difraccion elasticas para esta superficie. Se comprobo como la disminucion las intensidades de difraccion disminuye exponencialmente con la temperatura de la muestra tal y como predice el modelo de Debye-Waller. Este resultado permitio extrapolar las intensidades de difraccion experimentales medidas para TS=460 K, a 0 K. Las intensidades experimentales de difraccion obtenidas de este modo, fueron comparadas con calculos DFT cuanticos en seis dimensiones encontrandose un acuerdo excelente. Por ultimo, experimentos de difraccion de H2 fueron realizados tambien en la superficie Ru(001) (TS=500 K). Las intensidades de difraccion fuera del plano demostraron ser muy importantes tambien para esta superficie. Analizando la razon entre la intensidad fuera del plano y en el plano se encontro que, para ?i altos, la intensidad fuera del plano es predominante. En concreto, los canales de difraccion con una transferencia de vector de onda perpendicular al plano de dispersion (?Ky?0), estan favorecidos para angulos de incidencia altos. Por otro lado, la atenuacion termica de las intensidades de difraccion experimentales sigue el modelo de Debye-Waller tambien en este caso en el rango de temperaturas explorado en los experimentos. Las intensidades experimentales de difraccion fueron extrapoladas a 0 K con el mismo metodo utilizado con la superficie de Pt(111). Se realizo una comparacion de los resultados experimentales (Epar=35 meV) con dos calculos cuanticos disponibles. Para cada calculo fueron utilizados distintos funcionales de intercambio y correlacion (PW91 y RPBE). Un buen acuerdo fue obtenido con el calculo que utilizaba el funcional PW91. Por contra, las predicciones de los calculos teoricos con el funcional RPBE resultaron estar en qualitativamente en desacuerdo con los experimentos para las energias exploradas (78-150 meV). En el presente tesis doctoral ha sido incluido, debido a su gran interes, un estudio de la expansion de Helio solido en vacio. Toennies y colaboradores midieron oscilaciones inesperadas en el flujo del haz liquido de helio para una fuente de haces moleculares, para presiones y temperaturas correspondientes a la fase solida. En este trabajo y otros posteriores, un modelo cinematico de transporte de vacantes en Helio solido fue propuesto como la explicacion para esta observacion experimental. No obstante, no se obtuvo informacion experimental alguna del interior del nozzle. En el apendice se explicaron experimentos en los cuales se midieron las presiones en el interior del nozzle observandose como esta oscila entre la presion aplicada desde el exterior y aproximadamente la presion de fusion del helio solido para la temperatura del nozzle. Para conseguir una comprension mas profunda de este fenomeno, el nozzle fue modificado con la instalacion de una pared de cobre en la cual fue montado un capilar de 110-180 ?m de diametro. Esta modificacion condujo a la aparicion de oscilaciones adicionales de la presion. Estos experimentos son discutidos en un apendice al final de este manuscrito.