A UHV-ESR study of the reaction of NO₂ adsorbed on copper

¹ Faculty of Engineering Hokkaido University Sapporo 060, Japan.
² Baker Laboratory of Chemistry Cornell University Ithaca, New York 14853.

Abstract

We describe in detail an experimental design which permits the high sensitivity study of ESR from paramagnetic species that may form on clean metal (and oxide) surfaces. The heart of the design is the ultra-high vacuum ESR cavity. The new phenomenon CREMSEE (cyclotron resonance from microwave-induced secondary electron emission), which is observed under high vacuum conditions, is characterized in some detail. In particular, it is found to be a sensitive indicator of surface bonding. The results of a detailed study of the reaction of NO₂ with Cu performed in the UHV-ESR system are presented. It is shown that the initial oxidation process may be monitored by CREMSEE, while an ESR signal is only seen when H₂O is present. The primary role of the H₂O is to form a hydrated surface copper complex which is magnetically concentrated but microcrystalline. These results are then compared with a study on supported Cu performed under conventional vacuum conditions.

Résumé

Les auteurs décrivent un appareillage pour l'étude par RPE avec une sensibilité élevée des espèces paramagnétiques susceptibles de se former sur des surfaces de métal ou d'oxydes. La partie importante de l'appareillage est une cavité RPE à ultra vide qui permet l'étude détaillée du nouveau phénomène de résonance cyclotron à partir d'émission électronique secondaire induite par microonde. Cet effet très sensible en particulier aux liaisons superficielles est appliqué à l'étude de la réaction de NO₂ sur le cuivre métallique effectuée dans la cavité RPE à ultravide. L'étape initiale d'oxydation peut être caractérisée par résonance cyclotron alors que le signal RPE n'apparaît qu'en présence d'eau. Le principal rôle de l'eau est de former un complexe superficiel du cuivre hydraté qui est magnétiquement concentré mais microcristallin. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus dans le cas du cuivre supporté dans des conditions de vide conventionnel.