Determination of the characteristic interfacial electronic states of {111} Cu-MgO interfaces by ELNES

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Abstract
The chemical bonding of different {111} Cu–MgO interfaces obtained by internal oxidation of (Cu, Mg) alloys at T = 900 °C and for an high oxygen activity of ao2 = 10−8, is studied by transmission electron energy loss spectroscopy (EELS) at high spatial resolution. For polar {111} interfaces (Cu and MgO in topotactical or pseudotwin orientation), it is shown that the terminating lattice plane in magnesia is occupied by oxygen atoms. An important charge transfer is identified at the interface, yielding Cu–L ELNES features corresponding to those of Cu1+ (Cu(I)) in its oxide. O–K edge fine structures at the interface are also modified: an edge enlargement and the presence of a low energy shoulder confirm the bonding of oxygen to Cu1+. Consistent with these results, the Mg–L edge is never modified compared to the MgO bulk phase. Specifically adapted to the heterophase interfaces, a spatial difference method, based on normalised spectra (NSD), is applied to estimate the relative contribution of the ELNES signal in the interface area. In the present case of high oxygen activity, the number of copper atoms in the Cu(I) oxidized state corresponds to a total occupancy of the outermost metal plane at the interface. La liaison chimique à travers différentes interfaces Cu-MgO obtenues par oxydation interne d'un alliage (Cu, Mg) à T = 900 °C et pour une forte activité d'oxygène de ao2 = 10−8 a été étudiée par spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons (EELS) résolue spatialement. Nous montrons que pour les interfaces polaires {111} (Cu et MgO en relation d'orientation topotactique ou de pseudo-macle), le dernier plan de la magnésie en contact avec le cuivre est occupé totalement par des atomes d'oxygène. Nous observons un transfert de charge important à cette interface, associé à une structure fine (ELNES) du seuil Cu−L caractéristique du Cu1+. La diminution de l'intensité du pic principal du seuil O−K ainsi que l'épaulement observé du côté des faibles pertes d'énergie sont également cohérents avec la présence d'une liaison Cu−O de type Cu1+. En accord avec ces résultats, le seuil Mg−L à l'interface n'indique que la seule présence de MgO. Une méthode de différence spatiale, adaptée au cas des interfaces hétérophases et basée sur la normalisation des spectres (NSD) après extraction du fond continu, est utilisée pour estimer les contributions relatives du signal ELNES dans la zone interfaciale. Dans le cas des interfaces formées à haute activité d'oxygène, le nombre d'atomes de cuivre dans un état oxydé de type Cu(I) correspond à l'occupation complète de la dernière couche atomique du métal.

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