Structural Evolution of Rutile TiO 2 ( 110 ) − ( 1 × 2 ) Reconstruction Driven by Oxygen-Promoted Titanium Migration

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作者
Liping Chen,Meiliang Ma,Bingqian Chen,Ying Jiang,Wentao Yuan,Zhongkang Han,Sergey V. Levchenko,Yong Wang
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:135 (24): 246201-246201
标识
DOI:10.1103/tybj-45th
摘要

Elucidating the kinetics of surface reconstruction is fundamentally important yet inherently challenging due to the complex collective atomic motions occurring across high-dimensional potential-energy landscapes. Here, we combine machine-learning-based molecular dynamics simulations enhanced by well-tempered metadynamics with in situ environmental transmission electron microscopy to directly uncover the critical role of surface titanium diffusion in driving the structural evolution of the TiO_{2}(110)-(1×2) reconstruction. Under oxygen-deficient conditions, the TiO_{2}(110)-(1×2) reconstruction remains thermodynamically stable, and surface Ti migration is largely suppressed. In contrast, under oxygen-rich conditions, the surface Ti atomic rows exhibit pronounced splitting and migration, facilitated by the incorporation of additional oxygen atoms that enhance Ti mobility. Our simulations demonstrate that these oxygen-promoted processes can induce structural transformations of the TiO_{2}(110)-(1×2) reconstruction, resulting in transitions from double-row to single-row or triple-row configurations. These predictions are further validated by experimental observations. This Letter establishes a microscopic mechanism for rutile surface reconstruction kinetics and provides valuable insights for the controlled manipulation of surface structures under varying chemical environments.
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