We studied magnetite–hematite–magnetite transformations in an ultrathin epitaxial film on Pt(111) using surface sensitive and bulk sensitive methods. At initial oxidation stages at elevated temperature (810 K), a 5-nm thick magnetite Fe3O4(111) film became non-stoichiometric toward maghemite and then showed the first signs of hematite phase formation under an oxygen exposure of 3 × 103 L. Finally, under 2 × 104 L, the film fully transformed to hematite α-Fe2O3(0001), maintaining a high single-crystal quality. A comparison of the conversion electron Mössbauer spectra and low energy electron diffraction pattern showed that at intermediate oxidation stages, hematite dominated at the surface, whereas a spinel phase was still observed in the deeper layers. The magnetite–hematite conversion was fully reversed by annealing under ultra-high vacuum at temperatures exceeding 600 K, and despite a change in morphology, the magnetite film preserved the original crystal structure and orientation.

1.
L. E.
Lagoeiro
,
J. Metamorph. Geol.
16
,
415
(
1998
).
2.
W. K.
Jóźwiak
,
E.
Kaczmarek
,
T. P.
Maniecki
,
W.
Ignaczak
, and
W.
Maniukiewicz
,
Appl. Catal., A
326
,
17
(
2007
).
3.
C.
Rhodes
,
G. J.
Hutchings
, and
A. M.
Ward
,
Catal. Today
23
,
43
(
1995
).
4.
D.
Cameron
,
R.
Holliday
, and
D.
Thompson
,
J. Power Sources
118
,
298
(
2003
).
5.
S.
Li
,
A.
Li
,
S.
Krishnamoorthy
, and
E.
Iglesia
,
Catal. Lett.
77
,
197
(
2001
).
6.
D. B.
Bukur
,
K.
Okabe
,
M. P.
Rosynek
,
L.
Chiuping
,
W.
Dingjun
,
K. R. P. M.
Rao
, and
G. P.
Huffman
,
J. Catal.
155
,
353
(
1995
).
7.
A.
Kay
,
I.
Cesar
, and
M.
Gratzel
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
15714
(
2006
).
8.
M. K.
Susanta
,
J. E.
Shiny
,
B.
Subarna
, and
M.
Mano
,
Chem. Mater.
21
,
3048
(
2009
).
9.
P. F.
Barbosa
and
L.
Lagoeiro
,
Am. Mineral.
95
,
118
(
2010
).
10.
M.
Batzill
and
U.
Diebold
,
Prog. Surf. Sci.
79
,
47
(
2005
).
11.
W.
Weiss
and
W.
Ranke
,
Prog. Surf. Sci.
70
,
1
(
2002
).
12.
T.
Luttrell
,
S.
Halpegamage
,
J.
Tao
,
A.
Kramer
,
E.
Sutter
, and
M.
Batzill
,
Sci. Rep.
4
,
4043
(
2014
).
13.
A.
Davies
,
J. A.
Stroscio
,
D. T.
Pierce
, and
R. J.
Celotta
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
4175
(
1996
).
14.
F.
Genuzio
,
A.
Sala
,
Th.
Schmidt
,
D.
Menzel
, and
H.-J.
Freund
,
J. Phys. Chem. C
118
,
29068
(
2014
).
15.
F.
Genuzio
,
A.
Sala
,
Th.
Schmidt
,
D.
Menzel
, and
H.-J.
Freund
,
Surf. Sci.
648
,
177
(
2016
).
16.
M.
Monti
,
B.
Santos
,
A.
Mascaraque
,
O.
Rodríguez de la Fuente
,
M. A.
Niño
,
T. O.
Menteş
,
A.
Locatelli
,
K. F.
McCarty
,
J. F.
Marco
, and
J.
de la Figuera
,
J. Phys. Chem. C
116
,
11539
(
2012
).
17.
Y.
Tang
,
H.
Qin
,
K.
Wu
,
Q.
Guo
, and
J.
Guo
,
Surf. Sci.
609
,
67
(
2013
).
18.
I.
Yamaguchi
,
T.
Terayama
,
T.
Manabe
,
T.
Tsuchiya
,
M.
Sohma
,
T.
Kumagai
, and
S.
Mizuta
,
J. Solid State Chem.
163
,
239
(
2002
).
19.
G.
Ketteler
,
W.
Weiss
,
W.
Ranke
, and
R.
Schlögl
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
3
,
1114
(
2001
).
20.
W.
Huang
,
W.
Ranke
, and
R.
Schloegl
,
J. Phys. Chem. C
111
,
2198
(
2007
).
21.
J.
Knudsen
,
L. R.
Merte
,
L. C.
Grabow
,
F. M.
Eichhorn
,
S.
Porsgaard
,
H.
Zeuthen
,
R. T.
Vang
,
E.
Lægsgaard
,
M.
Mavrikakis
, and
F.
Besenbacher
,
Surf. Sci.
604
,
11
(
2010
).
22.
W.
Huang
and
W.
Ranke
,
Surf. Sci.
600
,
793
(
2006
).
23.
X.
Deng
,
J.
Lee
, and
Ch.
Matranga
,
Surf. Sci.
604
,
627
(
2010
).
24.
K. F.
McCarty
,
M.
Monti
,
S.
Nie
,
D. A.
Siegel
,
E.
Starodub
,
F.
El Gabaly
,
A. H.
McDaniel
,
A.
Shavorskiy
,
T.
Tyliszczak
,
H.
Bluhm
,
N. C.
Bartelt
, and
J.
de la Figuera
,
J. Phys. Chem. C
118
,
19768
(
2014
).
25.
C.
Schlueter
,
M.
Lübbe
,
A. M.
Gigler
, and
W.
Moritz
,
Surf. Sci.
605
,
1986
(
2011
).
26.
H.
Qiu
,
V.
Staemmler
,
H.
Kuhlenbeck
,
E.
Bauer
, and
H.-J.
Freund
,
Surf. Sci.
641
,
30
(
2015
).
27.
S.
Ruiz-Gomez
,
A.
Serrano
,
I.
Carabias
,
M. A.
Garc
a
ı,
A.
Hernando
,
A.
Mascaraque
,
L.
Perez
,
M. A.
Gonzalez Barrio
, and
O.
Rodr
guez de la Fuente
ı,
Appl. Phys. Lett.
110
,
093103
(
2017
).
28.
N.
Spiridis
,
D.
Wilgocka-Ślęzak
,
K.
Freindl
,
B.
Figarska
,
T.
Giela
,
E.
Młyńczak
,
B.
Strzelczyk
,
M.
Zając
, and
J.
Korecki
,
Phys. Rev. B
85
,
075436
(
2012
).
29.
W.
Weiss
and
M.
Ritter
,
Phys. Rev. B
59
,
5201
(
1999
).
30.
P.
Morrall
,
F.
Schedin
,
G. S.
Case
,
M. F.
Thomas
,
E.
Dudzik
,
G.
van der Laan
, and
G.
Thornton
,
Phys. Rev. B
67
,
214408
(
2003
).
31.
E.
De Grave
,
R. M.
Persoons
,
R. E.
Vandenberghe
, and
P. M. A.
de Bakker
,
Phys. Rev. B
47
,
5881
(
1993
).
32.
N.
Spiridis
,
K.
Freindl
,
J.
Wojas
,
N.
Kwiatek
,
E.
Madej
,
D.
Wilgocka-Ślęzak
,
P.
Dróżdż
,
T.
Slęzak
, and
J.
Korecki
,
J. Phys. Chem. C
123
,
4204
(
2019
).
33.
J.
Korecki
,
B.
Handke
,
N.
Spiridis
,
T.
Ślęzak
,
I.
Flis-Kabulska
, and
J.
Haber
,
Thin Solid Films
412
,
14
(
2002
).
34.
X. N.
Xu
,
Y.
Wolfus
,
A.
Shaulov
,
Y.
Yeshurun
,
I.
Felner
,
I.
Nowik
,
Y.
Koltypin
, and
A.
Gedanken
,
J. Appl. Phys.
91
,
4611
(
2002
).
35.
L.
Häggström
,
H.
Annersten
,
T.
Ericsson
,
R.
Wäppling
,
W.
Karner
, and
S.
Bjarman
, “
Magnetic dipolar and electric quadrupolar effects on the Mössbauer spectra of magnetite above the Verwey transition
,”
Hyperfine Interact.
5
,
201
(
1978
).
36.
R. R. V.
Chlan
,
H.
Štepánková
,
P.
Novák
,
J.
Żukrowski
,
A.
Kozłowski
,
Z.
Kąkol
,
Z.
Tarnawski
, and
J. M.
Honig
,
Phys. Rev. B
96
,
195124
(
2017
).
37.
Intensity ratio may differ from 2 expected for the ideal stioichiometry due to slightly different recoil-free fractions for the tetrahedral and octahedral sites: A value of 1.88 is reported by
G. A.
Sawatzky
,
F.
Van Der Woude
, and
A. H.
Morrish
,
Phys. Rev.
183
,
383
(
1969
).
38.
I. S.
Lyubutin
,
A. O.
Baskakov
,
S. S.
Starchikov
,
K. Y.
Shih
,
C. R.
Lin
,
Y. T.
Tseng
,
S. S.
Yang
,
Z. Y.
Han
,
Y. L.
Ogarkova
,
V. I.
Nikolaichik
, and
A. S.
Avilov
,
Mater. Chem. Phys.
219
,
411
(
2018
).
39.
X.
Liu
,
C. F.
Chang
,
A. D.
Rata
,
A. C.
Komarek
, and
L. H.
Tjeng
,
npj Quantum Mater.
1
,
16027
(
2016
).
40.
M.
Zając
,
K.
Freindl
,
T.
Ślęzak
,
M.
Ślęzak
,
N.
Spiridis
,
D.
Wilgocka-Ślęzak
, and
J.
Korecki
,
Thin Solid Films
519
,
5588
(
2011
).
41.
F. C.
Voogt
,
T.
Fujii
,
P. J. M.
Smulders
,
L.
Niesen
,
M. A.
James
, and
T.
Hibma
,
Phys. Rev. B
60
,
11193
(
1999
).
42.
C. H.
Lanier
,
A. N.
Chiaramonti
,
L. D.
Marks
, and
K. R.
Poeppelmeier
,
Surf. Sci.
603
,
2574
(
2009
).
43.
N. G.
Condon
,
F. M.
Leibsle
,
A. R.
Lennie
,
P. W.
Murray
,
D. J.
Vaughan
, and
G.
Thornton
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
1961
(
1995
).
44.
N. G.
Condon
,
F. M.
Leibsle
,
A. R.
Lennie
,
P. W.
Murray
,
T. M.
Parker
,
D. J.
Vaughan
, and
G.
Thornton
,
Surf. Sci.
397
,
278
(
1998
).
45.
Sh. K.
Shaikhutdinov
and
W.
Weiss
,
Surf. Sci.
432
,
L627
(
1999
).
46.
J.
Redondo
,
P.
Lazar
,
P.
Procházka
,
S.
Pruša
,
B.
Mallada
,
A.
Cahlík
,
J.
Lachnitt
,
J.
Berger
,
B.
Šmíd
,
L.
Kormoš
,
P.
Jelínek
,
J.
Čechal
, and
M.
Švec
,
J. Phys. Chem. C
123
,
14312
(
2019
).
47.
S.
Nie
,
E.
Starodub
,
M.
Monti
,
D. A.
Siegel
,
L.
Vergara
,
F.
El Gabaly
,
N. C.
Bartelt
,
J.
de La Figuera
, and
K. F.
McCarty
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
10091
(
2013
).
48.
C. Y.
Kim
,
A. A.
Escuadro
,
M. J.
Bedzyk
,
L.
Liu
, and
P. C.
Stair
,
Surf. Sci.
572
,
239
(
2004
).
49.
S.
Gota
,
M.
Gautier-Soyer
, and
M.
Sacchi
,
Phys. Rev. B
64
,
224407
(
2001
).
You do not currently have access to this content.