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
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
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht athermische molekulare Prozesse, insbesondere Dissoziation, Diffusion und Desorption, an Metalloberflächen unter Einsatz eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (LT-STM) in Kombination mit einem Femtosekunden-Lasersystem.
- Aufbau und Modifikation eines LT-STM zur Integration einer fs-Laser-Lichtquelle.
- Untersuchung der energie- und zeitaufgelösten Anregung molekularer Prozesse durch heiße Elektronen.
- Analyse des Diffusionsverhaltens von schwerem Wasser (D2O) auf Ag(111)- und Au(111)-Oberflächen.
- Untersuchung von Isotopeneffekten und energetischen Schwellenwerten bei Oberflächenreaktionen.
- Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit dem System H2O auf Cu(111).
Auszug aus dem Buch
2.3.3 Elektroneninduzierte Manipulation
Bei dieser Art der Manipulation wird das Adsorbat, welches manipuliert werden soll, nicht über die Oberfläche bewegt. Es werden hierbei vielmehr Schwingungen und damit Reaktionen des Adsorbats durch Elektronen aus der Tunnelspitze angeregt, induziert [SRH+97], [KDO01]. Dies können Reaktionen wie Diffusion, Desorption und Dissoziation sein [MoR02a]. Es können aber auch einzelne Moleküle miteinander verbunden werden. Dies wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Rieder am Beispiel der Synthese von Biphenyl aus zwei Iodbenzolmolekülen gezeigt [HBMR00].
In meinen Experimenten habe ich diese Art der Manipulation verwendet, um die Diffusion von D2O auf Ag(111) und Au(111) bei tiefen Temperaturen anzuregen und so die Anregungsbarriere zu bestimmen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Die Rastertunnelmikroskopie: Einführung in die historische Entwicklung und die grundlegende Methodik der Rastertunnelmikroskopie in der Oberflächenphysik.
2 Grundlagen: Theoretische Erläuterung des quantenmechanischen Tunnelprozesses sowie Beschreibung der gängigen STM-Betriebsmodi und Manipulationsmethoden.
3 Aufbau eines fs-Laser-LT-STM: Detaillierte technische Beschreibung der UHV-Apparatur, des STM-Kopfes, des Lasersystems sowie der Strategien zur Schwingungsdämpfung und Lasereinkopplung.
4 STM-Messungen: Darstellung und Analyse der experimentellen Ergebnisse zur Adsorption und elektroneninduzierten Diffusion von D2O auf Ag(111)- und Au(111)-Oberflächen sowie spektroskopische Untersuchungen.
5 Zusammenfassung: Resümee des technischen Aufbaus sowie der wissenschaftlichen Ergebnisse der Untersuchung molekularer Prozesse unter Nutzung heißer Elektronen.
6 Ausblick: Diskussion potenzieller zukünftiger Untersuchungen zur Spezifität von Adsorptionsplätzen und zur Erweiterung der chemischen Analysen an Metalloberflächen.
Schlüsselwörter
Rastertunnelmikroskopie, LT-STM, fs-Laser, heiße Elektronen, Schweres Wasser, D2O, Ag(111), Au(111), Oberflächendiffusion, Adsorption, Elektroneninduzierte Manipulation, Molekulare Prozesse, UHV-Technik, Tunnelspektroskopie, Nanostrukturierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung molekularer Prozesse an Metalloberflächen, wobei der Fokus auf der athermischen Auslösung von Dissoziation, Diffusion und Desorption durch Elektronen liegt.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Felder sind der technische Aufbau eines kombinierten fs-Laser-LT-STM-Systems sowie die experimentelle Untersuchung von Wasser- und D2O-Adsorbaten auf fcc(111)-Metalloberflächen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Anregungsbarrieren für molekulare Diffusionsprozesse bei tiefen Temperaturen zu bestimmen und den Einfluss von heißen Elektronen sowie die Ortsabhängigkeit dieser Prozesse zu analysieren.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit nutzt die Rastertunnelmikroskopie (STM) zur atomar aufgelösten Abbildung und Manipulation, ergänzt durch dI/dV-Spektroskopie zur Untersuchung elektronischer Zustände und Schwingungsmoden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine detaillierte Beschreibung der experimentellen Apparatur (UHV-Kammer, STM-Kopf, Lasersystem) und eine umfassende Darstellung der Messungen an D2O auf Ag(111) und Au(111).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Forschung?
Die Arbeit wird wesentlich durch Begriffe wie Rastertunnelmikroskopie, D2O, Oberflächendiffusion, fs-Laser und elektroneninduzierte Manipulation geprägt.
Wie wird das schwere Wasser (D2O) auf den Proben präpariert?
D2O wird unter Ultrahochvakuum-Bedingungen bei einer Probentemperatur von 17 K kontrolliert mittels eines Feindosierventils auf die Oberfläche aufgedampft.
Welche Besonderheit weist die Au(111)-Oberfläche in Bezug auf Adsorbate auf?
Auf Au(111) zeigen die Adsorbate eine bevorzugte Adsorption an den Ellenbogen der durch die Herringbone-Struktur bedingten Rekonstruktionslinien, im Gegensatz zur zufälligen Verteilung auf Ag(111).
- Quote paper
- Heiko Gawronski (Author), 2003, Rastertunnelmikroskopische Untersuchung elektroneninduzierter Prozesse von D2O auf fcc (111)-Metalloberflächen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/18397
