Verantwortlich: Dr. H. Hövel, I. Barke, C. Rettig
 

Inhalt:

Metallcluster auf Oberflächen

Edelgas Adsorbatschichten

Weitere Projekte

 

Projekte

   Metallcluster auf Oberflächen:

Cluster sind Teilchen zwischen Atom und Festkörper mit Teilchengrößen von etwa 1 nm bis 100 nm, dies entspricht 10 bis 10 Millionen Atomen. Ihre Untersuchung bildet die Grundlage für die sich rasch entwickelnde Nanotechnologie als Fortsetzung der auch technisch relevanten Miniaturisierung. Die Herstellung der Cluster ist bereits ein komplexer Prozeß. Als Beispiel wird hier ein Verfahren gewählt, bei dem zuerst Nanogruben in Graphit erzeugt werden, welche dann als Kondensationszentren beim Wachstum von Silber- und Goldclustern dienen.
Durch kontrolliertes Einbringen von Defekten und einen anschließenden Oxidationsprozeß wurden "Nanogruben" eine Atomlage tief und wenige Nanometer im Durchmesser in einer Graphitoberfläche hergestellt. Bild 1 zeigt vier solcher Nanogrube in atomarer Auflösung (je 12 nm x 12 nm). Es wurde mit einem UHV Tieftemperatur- Rastertunnelmikroskop bei T=5 Kelvin gemessen.
 

Bild 1: Nanogruben in einer Graphitoberfläche, jedes Bild 12 nm x 12 nm (klicken zum Vergrößern)

Durch Aufdampfen von Metall auf diese nanostrukturierte Oberfläche kondensieren Metallcluster in den Nanogruben, die dann ebenfalls mit Rastertunnelmikroskopie gemessen werden konnten (Bild 2).

 

 

Bild 2: Silbercluster hergestellt durch kontrolliertes Wachstum in Nanogruben (aus Ref. [1]).

Am oberen Bildrand ist ein Cluster mit der Tunnelspitze aus dem Bild geschoben worden, wodurch die darunterliegende Nanogrube sichtbar wurde. Nachdem die Proben von der Rückseite her dünnpräpariert wurden, konnten die Cluster auch mit Transmissions- Elektronenmikroskopie abgebildet werden. Dies lieferte zusätzliche Informationen zur Clusterform und der kristallinen Struktur.

So präparierte Metallcluster können anschließend mit Photoelektronenspektroskopie und Rastertunnelspektroskopie bezüglich ihrer elektronischen Eigenschaften untersucht werden. Da sich hierbei beide Messmethoden sinnvoll ergänzen, liefert ihre Kombination an den gleichen Proben wichtige Informationen zum besseren Verständnis beider Messergebnisse.

Literatur:

[1] Controlled cluster-condensation into preformed nanometer-sized pits,  H. Hövel, Th. Becker, A. Bettac, B. Reihl, M. Tschudy, E.J. Williams,  Journal of Applied Physics 81, 154 (1997);

[2] Crystalline structure and orientation of gold clusters grown in preformed nanometer-sized pits,  H. Hövel, Th. Becker, A. Bettac, B. Reihl, M. Tschudy, E.J. Williams,  Applied Surface Science 115, 124 (1997);

[3] Cluster-substrate interaction on a femtosecond time scale revealed by a high-resolution photoemission study of the Fermi-Level onset, H. Hövel, B. Grimm, M. Pollmann, B. Reihl,  Physical Review Letters 81, 4608 (1998).

[4] Femtosecond dynamics of final-state effects in the valence band photoemission of silver clusters, H. Hövel, B. Grimm, M. Pollmann, B. Reihl, The European Physical Journal D 9, 595-599 (1999).

[5] Tunneling spectroscopy on silver clusters at T = 5 K: Size dependence and spatial energy shifts, H. Hövel, B. Grimm, M. Bödecker, K. Fieger, B. Reihl, Surface Science 463, L603-L608 (2000).

[6] Clusters on Surfaces: High Resolution Spektroscopy at Low Temperature, H. Hövel, Applied Physics A, in press.
 

   Edelgas Adsorbatschichten:

Aufgrund ihrer sphärischen Symmetrie und einfachen elektronischen Struktur dienen Edelgase seit langem als Modellsysteme in der Festkörperphysik. Ähnlich werden sie in der Oberflächenphysik als Modellsystem zur Untersuchung allgemeiner Fragestellungen für die geometrische Anordnung und die elektronische Struktur von zweidimensionalen Adsorbatstrukturen verwendet.

Xenon adsorbiert auf Graphit ist dabei bereits mit zahlreichen experimentellen Methoden untersucht worden, die zumeist auf dem Prinzip der Beugung basierten. Mit der Möglichkeit die Xenon-Schicht mit Tieftemperatur STM direkt atomar aufgelöst abzubilden (Bild 3, 16 nm x 16 nm, T = 5 K), konnten wir neue Details für die Struktur und Dynamik der Xenon-Monolage aufdecken.

Bild 3: STM Bild einer Xenon Schicht auf Graphit. Man erkennt atomar aufgelöste, hexagonale Xenon Domänen, angeordnet in der Form eines "Honigwaben-Gitters", Bildgröße 16 nm x 16 nm, aus Ref. [7] (klicken zum Vergrößern)

Auf einer Silber (111) Oberfläche führt die Adsorption einer Xenon Monlage zu einer Modifikation des Oberflächenzustands, eines zweidimensionalen Elektronenzustands unmittelbar an der Oberfläche. Er verschiebt um ca. 120 meV zu höheren Energien und ist dadurch nicht mehr mit Elektronen besetzt. In der Photoelektronen- Spektrum verschwindet daher sein Signal. Mit Rastertunnel- Spektroskopie konnten wir dagegen diese Veränderung genau untersuchen, da man hiermit auch unbesetzte Elektronenzustände detektieren kann. Durch die Messung von stehenden Wellen in der Elektronendichte, die an Defekten und atomaren Kristallstufen entstehen, konnten wir energieabhängige Wellenlänge der Elektronenzustände auf der reinen und der Xenon bedeckten Oberfläche exakt vergleichen. Eine Film-Sequenz aus diesen Messungen finden Sie hier.

Literatur:

[7] Physisorbed Rare-Gas Monolayers: Evidence for Domain-Wall Tilting, B. Grimm, H. Hövel, M. Pollmann, B. Reihl,  Physical Review Letters 83, 991 (1999).

[8] Observation of Domain-Wall Dynamics in Rare-Gas Monolayers at T = 5 K, B. Grimm, H. Hövel, M. Bödecker, K. Fieger, B. Reihl, Surface Science 454-456, 618 (2000).

[9] Modification of the Shockley-Type surface state on Ag(111) by an Adsorbed Xenon Layer, H. Hövel, B. Grimm, B. Reihl, Surface Science, in press.

   Weitere Projekte:

Untersuchung von Molekül-Clustern (z.B. Fullerene) auf Oberflächen; Herstellung und Untersuchung eindimensionaler Nanostrukturen (z.B. Kohlenstoff-Nanoröhren); Manipulation von Nanostrukturen mit dem Rastertunnelmikroskop.

Meßmethode

Die Rastertunnelmikroskopie wurde von G. Binnig und H. Rohrer im IBM Forschungslabor Zürich entwickelt (Nobelpreis für Physik, 1986). Eine atomar feine Spitze wird mit der Messung des Tunnelstroms, der sich mit dem Abstand zur Probenoberfläche stark ändert, Zeile für Zeile über eine Probenoberfläche gerastert. Hierdurch entsteht ein Bild der Oberfläche, auf dem atomare Strukturen erkennbar werden. Messungen bei Raumtemperatur und sogar unter normaler atmosphärischer Umgebung sind möglich. Für die Untersuchung von Fragestellungen der Oberflächenphysik ist es aber unumgänglich, im Ultrahochvakuum (UHV) bei einem Druck kleiner als 10 exp -10 mbar zu arbeiten, damit die Reinheit der Probenoberfläche ohne Kontamination durch Restgas über längere Meßzeiten hinweg erhalten werden kann. Ganz neue Phänomene werden meßbar, wenn die Messungen bei tiefen Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt ausgeführt werden. Hierdurch wird ungeordnete thermische Bewegung unterbunden, was u.a. die Probe und die Spitze wesentlich stabiler macht. Die zusätzlichen technischen Probleme, die bei tiefen Temperaturen, z.B. bei der Vibrationsisolation oder der Materialauswahl auftreten, wurden in einer langjährigen gemeinsamen Entwicklung des IBM Forschungslabors Zürich und der OMICRON Vakuumphysik GmbH gelöst. Die Kombination eines Tieftemperatur- Rastertunnelmikroskops mit anderen Verfahren zur Oberflächenanalyse (u.a. Photoelektronenspektroskopie mit hoher Energieauflösung) in einer gemeinsamen UHV- Apparatur bietet die Möglichkeit verschiedene Aspekte der geometrischen und elektronischen Struktur an der selben Probe zu untersuchen.

Literatur:

[10] Surface studies by scanning tunneling microscopy,  G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel,  Physical Review Letters 49, (1982) 57;

[11] Applications with a new low-temperature UHV STM at 5K, T. Becker, H. Hövel, M. Tschudy, B. Reihl,  Applied Physics A 66, S27 (1998);

[12] High-resolution photoemission combined with low-temperature STM, H. Hövel, T. Becker, D. Funnemann, B. Grimm, C. Quitmann, B. Reihl,  Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 88-91, 1015 (1998).

    Vorhandene Experimentelle Aufbauten

Zweikammer UHV-Anlage mit einem Tieftemperatur- Rastertunnelmikroskop der Firma OMICRON für Temperaturen bis unter 5 Kelvin mit spezieller Vibrationsentkopplung und -dämpfung, Analyse-/Präparationskammer mit kühl- und heizbarem Manipulator, Ionenätzen, UHV-Verdampfern, Photoelektronenspektroskopie mit hoher Energieauflösung, Augerelektronen- spektroskopie, Elektronenbeugung (LEED). Atomare Auflösung bei 4.9 Kelvin auf einer Gold (111) Oberfläche finden Sie hier.

Einkammer UHV-Anlage mit einem Tieftemperatur- Rastertunnelmikroskop, das mittels flüssig Stickstoff und flüssig Helium Badkryostaten gekühlt wird, Spitzen- und Probenwechsel mit Schleuse sowie Präparation.