Rastertunnelmikroskopische Untersuchung elektroneninduzierter Prozesse von D2O auf fcc (111)-Metalloberflächen

Diplomarbeit , 2003 , 88 Seiten , Note: 1,5

Physik - Sonstiges

Molekulare Prozesse, wie Dissoziation, Diffusion und Desorption an Oberflächen
können sowohl thermisch als auch athermisch ausgelöst werden.Diese
Arbeit beschäftigt sich mit der athermischen Auslösung solcher Prozesse mittels
Elektronen.
Im ersten Teil beschreibe ich den Aufbau einer Apparatur, mit deren Hilfe
heiße Elektronen in einer Metalloberfläche erzeugt werden.Hierfür wird ein
Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop (LT-STM - low temperature - scanning
tunneling microscope), wie es in der Arbeitsgruppe von Prof. K.-H.
Rieder bereits mehrfach verwendet wird, neu aufgebaut und so modifiziert,
dass eine möglichst störungsfreie, optische Einkopplung eines fs-Lasers erreicht
wird.
Die Erzeugung der Elektronen mit dem Laser bietet dabei eine Polarisations-,
Energie- und Zeitauflösung, wohingegen das STM eine atomare Ortsauflösung
ermöglicht. Durch die Kombination der Methoden, wird es nicht
nur möglich sein, Reaktionsraten oder spektrale Eigenschaften zu bestimmen,
sondern auch Aussagen über die Ortsabhängigkeiten von Oberflächenreaktionen
treffen zu können.
Im zweiten Teil beschreibe ich wie Elektronen aus der Spitze des STM
verwendet werden, um diese molekularen Prozesse im System Wasser auf
Au(111) und Wasser auf Ag(111) auszulösen. Dabei ist die Abhängigkeit der
Diffusion von der Energie der Elektronen als auch von der Zeit, in der die
Anregung der Moleküle erfolgt, untersucht worden. Es wird außerdem untersucht,
inwiefern sich bei der Verwendung von D2O ein Isotopeneffekt bemerkbar
macht. Dazu werden die Ergebnisse der Messungen mit dem bereits
untersuchten System H2O auf Cu(111) verglichen.

Inhaltsverzeichnis (Table of Contents)

• 1 Die Rastertunnelmikroskopie
• 2 Grundlagen
  • 2.1 Der Tunnelprozess
  • 2.2 Messungen mit dem STM
  • 2.3 Manipulationsmethoden
    • 2.3.1 Laterale Manipulation
    • 2.3.2 Vertikale Manipulation
    • 2.3.3 Elektroneninduzierte Manipulation
• 3 Aufbau eines fs-Laser-LT-STM
  • 3.1 Die UHV-Kammer
    • 3.1.1 Die Präparationskammer
    • 3.1.2 Die Ladekammer
    • 3.1.3 Das Moleküleinlasssystem
    • 3.1.4 Die STM-Kammer
    • 3.1.5 Der Badkryostat
  • 3.2 Der Kopf des STM
    • 3.2.1 Schwingungsverhalten des STM
    • 3.2.2 Die Probenträger
    • 3.2.3 Die Messelektronik
  • 3.3 Erste Messungen mit dem STM
  • 3.4 Das Lasersystem
    • 3.4.1 Der fs-Oszillator.
    • 3.4.2 Pulsverzögerung und Frequenzvervielfachung
    • 3.4.3 Laserschutzmaßnahmen
  • 3.5 Lasereinkopplung in das STM
    • 3.5.1 Stabilität der Verbindung
    • 3.5.2 Justage des Spots auf der Probe
  • 3.6 Charakterisierung der STM-Spitzen
    • 3.6.1 Platin-Iridium-Spitzen
    • 3.6.2 Wolfram Spitzen
    • 3.6.3 Qualität der Spitzen
• 4 STM-Messungen
  • 4.1 Einführung
    • 4.1.1 Wasser und schweres Wasser
    • 4.1.2 fcc(111)-Oberflächen
  • 4.2 Probenpräparation
    • 4.2.1 Oberflächenpräparation.
    • 4.2.2 Präparation: D₂O auf Ag(111) und Au(111)
  • 4.3 D₂O Bedeckung auf Ag(111) und Au(111)
  • 4.4 Diffusion von D₂O
    • 4.4.1 Auf der Ag(111)-Oberfläche
    • 4.4.2 Auf der Au(111)-Oberfläche
    • 4.4.3 Direkte Abspaltung einzelner Moleküle
    • 4.4.4 Indirekte Anregung der Diffusion in einer hcp-Domäne
  • 4.5 dI/dV-Spektroskopie
    • 4.5.1 Messung des Oberflächenzustandes von Au(111)
    • 4.5.2 Messung des D₂O-Spektrums auf Au(111)
• 5 Zusammenfassung
• 6 Ausblick
• 7 Danksagung
• 8 Anhang
  • 8.1 Abbildung atomaren Fehlstellen

Zielsetzung und Themenschwerpunkte (Objectives and Key Themes)

Diese Arbeit befasst sich mit der athermischen Auslösung molekularer Prozesse an Oberflächen mithilfe von Elektronen. Das Ziel ist es, eine Apparatur aufzubauen, mit der heiße Elektronen in einer Metalloberfläche erzeugt werden können, um so Reaktionsraten und spektrale Eigenschaften sowie die Ortsabhängigkeiten von Oberflächenreaktionen zu untersuchen.

• Aufbau eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (LT-STM) mit optischer Einkopplung eines fs-Lasers.
• Erzeugung von Elektronen mit dem Laser und deren Verwendung zur Auslösung molekularer Prozesse.
• Untersuchung der Abhängigkeit der Diffusion von Wassermolekülen auf Metalloberflächen von der Elektronenenergie und -zeit.
• Analyse des Isotopeneffekts durch Vergleich der Ergebnisse mit dem System H2O auf Cu(111).
• Beobachtung und Charakterisierung von Oberflächenreaktionen mit atomarer Auflösung.

Zusammenfassung der Kapitel (Chapter Summaries)

• Kapitel 1: Eine Einführung in die Rastertunnelmikroskopie (STM) und deren Einsatzmöglichkeiten.
• Kapitel 2: Erläuterung der physikalischen Grundlagen des Tunnelprozesses, der Funktionsweise des STM und der verschiedenen Manipulationsmethoden.
• Kapitel 3: Detaillierte Beschreibung des Aufbaus eines fs-Laser-LT-STM, bestehend aus der UHV-Kammer, dem STM-Kopf, dem Lasersystem und der Lasereinkopplung in das STM. Hierbei werden auch die Charakterisierung der STM-Spitzen und die ersten Messungen mit dem STM behandelt.
• Kapitel 4: Darstellung der STM-Messungen an den Systemen Wasser auf Au(111) und Wasser auf Ag(111), einschließlich der Probenpräparation, der D2O-Bedeckung, der Diffusion von D2O und der dI/dV-Spektroskopie. Diese Kapitel untersucht die Abhängigkeit der Diffusion von der Elektronenenergie und -zeit sowie den Isotopeneffekt.

Schlüsselwörter (Keywords)

Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie (LT-STM), fs-Laser, Elektroneninduzierte Prozesse, Wassermoleküle, Metalloberflächen, Diffusion, Isotopeneffekt, dI/dV-Spektroskopie, Oberflächenreaktionen.

• Hochschule: Freie Universität Berlin (Institut für Experimentalphysik)
• Note: 1,5
• Autor: Heiko Gawronski (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2003
• Seiten: 88
• Katalognummer: V18397
• ISBN (eBook): 9783638227568
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Rastertunnelmikroskopische, Untersuchung, Prozesse