In this work, ethanol is used as a chemical probe to study the passivation of molecular beam epitaxy-grown GaN(0001) by surface oxidation. With a high degree of oxidation, no reaction from ethanol to acetaldehyde in temperature-programmed desorption experiments is observed. The acetaldehyde formation is attributed to a mechanism based on α-H abstraction from the dissociatively bound alcohol molecule. The reactivity is related to negatively charged surface states, which are removed upon oxidation of the GaN(0001) surface. This is compared with the Ga2O3(2¯01) single crystal surface, which is found to be inert for the acetaldehyde production. These results offer a toolbox to explore the surface chemistry of nitrides and oxynitrides on an atomic scale and relate their intrinsic activity to systems under ambient atmosphere.

1.
H. B.
Gray
,
Nat. Chem.
1
,
7
(
2009
).
2.
P. D.
Tran
,
L. H.
Wong
,
J.
Barber
, and
J. S. C.
Loo
,
Energy Environ. Sci.
5
,
5902
(
2012
).
3.
W. Y.
Teoh
,
J. A.
Scott
, and
R.
Amal
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
629
(
2012
).
4.
T. A.
Faunce
,
W.
Lubitz
,
A. W. B.
Rutherford
,
D.
MacFarlane
,
G. F.
Moore
,
P.
Yang
,
D. G.
Nocera
,
T. A.
Moore
,
D. H.
Gregory
,
S.
Fukuzumi
 et al,
Energy Environ. Sci.
6
,
695
(
2013
).
5.
D.
Kim
,
K. K.
Sakimoto
,
D.
Hong
, and
P.
Yang
,
Angew. Chem., Int. Ed.
54
,
3259
(
2015
).
6.
K.
Takanabe
and
K.
Domen
,
Green
1
,
313
(
2011
).
7.
F. E.
Osterloh
,
Chem. Soc. Rev.
42
,
2294
(
2013
).
8.
C.
Pan
,
T.
Takata
,
S. S.
Khine Ma
,
K.
Ueda
,
T.
Minegishi
,
M.
Nakabayashi
,
T.
Matsumoto
,
N.
Shibata
,
Y.
Ikuhara
, and
K.
Domen
,
J. Mater. Chem. A
4
,
4544
(
2016
).
9.
Q.
Wang
,
T.
Hisatomi
,
Q.
Jia
,
H.
Tokudome
,
M.
Zhong
,
C.
Wang
,
Z.
Pan
,
T.
Takata
,
M.
Nakabayashi
,
N.
Shibata
 et al,
Nat. Mater.
15
,
611
(
2016
).
10.
Y.
Goto
,
J.
Seo
,
K.
Kumamoto
,
T.
Hisatomi
,
Y.
Mizuguchi
,
Y.
Kamihara
,
M.
Katayama
,
T.
Minegishi
, and
K.
Domen
,
Inorg. Chem.
55
,
3674
(
2016
).
11.
T.
Hirai
,
K.
Maeda
,
M.
Yoshida
,
J.
Kubota
,
S.
Ikeda
,
M.
Matsumura
, and
K.
Domen
,
J. Phys. Chem. C
111
,
18853
(
2007
).
12.
K.
Maeda
and
K.
Domen
,
J. Phys. Chem. C
111
,
7851
(
2007
).
13.
M.
Higashi
,
K.
Domen
, and
R.
Abe
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
6968
(
2012
).
14.
C.
Pan
,
T.
Takata
,
M.
Nakabayashi
,
T.
Matsumoto
,
N.
Shibata
,
Y.
Ikuhara
, and
K.
Domen
,
Angew. Chem., Int. Ed.
54
,
2955
(
2015
).
15.
Z.
Pan
,
T.
Hisatomi
,
Q.
Wang
,
M.
Nakabayashi
,
N.
Shibata
,
C.
Pan
,
T.
Takata
, and
K.
Domen
,
Appl. Catal., A
521
,
26
(
2016
).
16.
S. S.
Kocha
,
M. W.
Peterson
,
D. J.
Arent
,
J. M.
Redwing
,
M. A.
Tischler
, and
J. A.
Turner
,
J. Electrochem. Soc.
142
,
L238
(
1995
).
17.
Y.
Kuang
,
Q.
Jia
,
H.
Nishiyama
,
T.
Yamada
,
A.
Kudo
, and
K.
Domen
,
Adv. Energy Mater.
6
,
1501645
(
2016
).
18.
Y.
Ohgi
,
A.
Ishihara
,
K.
Matsuzawa
,
S.
Mitsushima
,
K.-i.
Ota
,
M.
Matsumoto
, and
H.
Imai
,
Electrochim. Acta
68
,
192
(
2012
).
19.
M. G.
Kibria
,
S.
Zhao
,
F. A.
Chowdhury
,
Q.
Wang
,
H. P. T.
Nguyen
,
M. L.
Trudeau
,
H.
Guo
, and
Z.
Mi
,
Nat. Commun.
5
,
3825
(
2014
).
20.
B.
Xu
,
J.
Haubrich
,
C. G.
Freyschlag
,
R. J.
Madix
, and
C. M.
Friend
,
Chem. Sci.
1
,
310
(
2010
).
21.
C.
Lun Pang
,
R.
Lindsay
, and
G.
Thornton
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
2328
(
2008
).
22.
M. A.
Henderson
,
Surf. Sci. Rep.
66
,
185
(
2011
).
23.
S.
Kundu
,
A. B.
Vidal
,
M. A.
Nadeem
,
S. D.
Senanayake
,
H.
Idriss
,
P.
Liu
,
J. A.
Rodriguez
, and
D.
Stacchiola
,
J. Phys. Chem. C
117
,
11149
(
2013
).
24.
A.
von Weber
,
E. T.
Baxter
,
S.
Proch
,
M. D.
Kane
,
M.
Rosenfelder
,
H. S.
White
, and
S. L.
Anderson
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
17601
(
2015
).
25.
H. S.
Jung
,
Y. J.
Hong
,
Y.
Li
,
J.
Cho
,
Y.-J.
Kim
, and
G.-C.
Yi
,
ACS Nano
2
,
637
(
2008
).
26.
K.
Maeda
,
T.
Takata
,
M.
Hara
,
N.
Saito
,
Y.
Inoue
,
H.
Kobayashi
, and
K.
Domen
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
8286
(
2005
).
27.
K.
Maeda
,
K.
Teramura
,
T.
Takata
,
M.
Hara
,
N.
Saito
,
K.
Toda
,
Y.
Inoue
,
H.
Kobayashi
, and
K.
Domen
,
J. Phys. Chem. B
109
,
20504
(
2005
).
28.
T.
Ohno
,
L.
Bai
,
T.
Hisatomi
,
K.
Maeda
, and
K.
Domen
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
8254
(
2012
).
29.
H. Q.
Doan
,
K. L.
Pollock
, and
T.
Cuk
,
Chem. Phys. Lett.
649
,
1
(
2016
).
30.
B.
AlOtaibi
,
H. P. T.
Nguyen
,
S.
Zhao
,
M. G.
Kibria
,
S.
Fan
, and
Z.
Mi
,
Nano Lett.
13
,
4356
(
2013
).
31.
M.
Ebaid
,
D.
Priante
,
G.
Liu
,
C.
Zhao
,
M. S.
Alias
,
U.
Buttner
,
T. K.
Ng
,
T. T.
Isimjan
,
H.
Idriss
, and
B. S.
Ooi
,
Nano Energy
37
,
158
(
2017
).
32.
V.
Bermudez
,
Surf. Sci. Rep.
72
,
147
(
2017
).
33.
U.
Karrer
,
O.
Ambacher
, and
M.
Stutzmann
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
2012
(
2000
).
34.
S. L.
Kollmannsberger
,
C. A.
Walenta
,
A.
Winnerl
,
S.
Weiszer
,
R. N.
Pereira
,
M.
Tschurl
,
M.
Stutzmann
, and
U.
Heiz
,
J. Phys. Chem. C
121
,
8473
(
2017
).
35.
H.
Ishikawa
,
S.
Kobayashi
,
Y.
Koide
,
S.
Yamasaki
,
S.
Nagai
,
J.
Umezaki
,
M.
Koike
, and
M.
Murakami
,
J. Appl. Phys.
81
,
1315
(
1997
).
36.
R.
Hunt
,
L.
Vanzetti
,
T.
Castro
,
K.
Chen
,
L.
Sorba
,
P.
Cohen
,
W.
Gladfelter
,
J. V.
Hove
,
J.
Kuznia
,
M.
Khan
 et al,
Phys. B
185
,
415
(
1993
).
37.
P.
Lorenz
,
R.
Gutt
,
T.
Haensel
,
M.
Himmerlich
,
J. A.
Schaefer
, and
S.
Krischok
,
Phys. Status Solidi C
7
,
169
(
2010
).
38.
V.
Bermudez
and
J.
Long
,
Surf. Sci.
450
,
98
(
2000
).
39.
V.
Gottschalch
,
K.
Mergenthaler
,
G.
Wagner
,
J.
Bauer
,
H.
Paetzelt
,
C.
Sturm
, and
U.
Teschner
,
Phys. Status Solidi A
206
,
243
(
2009
).
40.
V. S.
Smentkowski
and
J. T.
Yates
,
J. Vac. Sci. Technol., B: Microelectron. Nanometer Struct.
14
,
260
(
1996
).
41.
E. J.
Tarsa
,
B.
Heying
,
X. H.
Wu
,
P.
Fini
,
S. P.
DenBaars
, and
J. S.
Speck
,
J. Appl. Phys.
82
,
5472
(
1997
).
42.
A. R.
Smith
,
R. M.
Feenstra
,
D. W.
Greve
,
M. S.
Shin
,
M.
Skowronski
,
J.
Neugebauer
, and
J. E.
Northrup
,
J. Vac. Sci. Technol., B: Microelectron. Nanometer Struct.
16
,
2242
(
1998
).
43.
A.
Winnerl
,
R. N.
Pereira
, and
M.
Stutzmann
,
J. Appl. Phys.
118
,
155704
(
2015
).
44.
K.
Sasaki
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Express
6
,
086502
(
2013
).
45.
B. S.
Eller
,
J.
Yang
, and
R. J.
Nemanich
,
J. Electron. Mater.
43
,
4560
(
2014
).
46.
J.
Yang
,
B. S.
Eller
, and
R. J.
Nemanich
,
J. Appl. Phys.
116
,
123702
(
2014
).
47.
J. T.
Yates
, Jr.
and
T. E.
Madey
,
J. Chem. Phys.
54
,
4969
(
1971
).
48.
Y.
Lilach
,
I.
Danziger
, and
M.
Asscher
,
Catal. Lett.
76
,
35
(
2001
).
49.
B.
Kim
,
Z.
Li
,
B. D.
Kay
,
Z.
Dohnalek
, and
Y. K.
Kim
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
15060
(
2012
).
50.
Y. K.
Kim
,
B. D.
Kay
,
J. M.
White
, and
Z.
Dohnálek
,
J. Phys. Chem. C
111
,
18236
(
2007
).
51.
H.
Idriss
and
E.
Seebauer
,
J. Mol. Catal. A: Chem.
152
,
201
(
2000
).
52.
N. J.
Watkins
,
G. W.
Wicks
, and
Y.
Gao
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2602
(
1999
).
53.
G.
Hollinger
,
R.
Skheyta-Kabbani
, and
M.
Gendry
,
Phys. Rev. B
49
,
11159
(
1994
).
54.
M. M.
Branda
,
S. E.
Collins
,
N. J.
Castellani
,
M. A.
Baltanás
, and
A. L.
Bonivardi
,
J. Phys. Chem. B
110
,
11847
(
2006
).
55.
V. M.
Bermudez
,
Langmuir
24
,
12943
(
2008
).
56.
V. M.
Bermudez
,
J. Appl. Phys.
80
,
1190
(
1996
).
57.
A.
Winnerl
,
J. A.
Garrido
, and
M.
Stutzmann
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
101602
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.