Desorption von Adsorbatschichten auf Kristalloberflächen

Forschungsprojekt P 14628Desorption von Adsorbatschichten auf KristalloberflächenMichael HOHAGE09.10.2000 Im Rahmen dieses Projektes soll das, Verhalten dünner Adsorbatschichten auf Kristalloberflächen auf atomarer Skala untersucht werden. Zu diesem Zweck wird die vielversprechende Kombination, der thermischen Desorptionsspektroskopie (TDS) mit einer eigens für diese Fragestellung entwickelten kinetischen Monte-Carlo (KMC) Simulation zur Anwendung gebracht. Erste Ergebisse dieser Kombination in der Entwiklungsphase des KMC-Programs haben bereits deren hohe Effizienz unter Beweis gestellt. Es ist geplant, durch die Untersuchung des Desorptionsverhaltens sowohl die grundsätzlichen Eigenschaften der Adsorbatschichten zu identifizieren als auch eine quantitative Analyse der zugrundeliegenden atomaren Prozesse durchzuführen. Dabei wird. besonderes Augenmerk auf eventuell vorhandende, kinetische bedingte, Abweichungen vom Gleichgewicht sowie auf sogenannte `finite size`Effekte gelegt. Es ist geplant, ein weites Spektrum grundzätzlich verschiedener Adsorbatsysteme zu untersuchen. Zum einen werden Adsorbate ausgewählt, die sich in der Art und Stärke ihrer Wechselwirkung mit dem Adsorbat deutlich unterscheiden, wie zurn Beispiel die Physisorbate Xe oder CF4 im Gegensatz zu Chemisorbaten wie atomarem Sauerestoff oder Wasserstoff. Zum anderen werden aber auch Substratfldchen mit grundsätzlich verschiedenen Eigenschaften ausgewählt. So erwarten wir ein deutlich unterschiedliches Adsorption- und Desorptionsverhalten, wenn anstelle glatter Kristalloberflächen, vizinale- oder gar nanostrukturierte Oberflächen (wie zurn Beispiel die Cu-CuO Streifenphase) verwendet werden. Dieses Projekt steht in thematischen Zusammenhang mit den FWF-Projekten P12317-NAW und P13841-CHE. Mit der Kombination derjeweiligen Hauptanalysemethoden. der drei Projekte Rastertunnelmikroskopie (STM), Streuung thermischer Heliumatome (TEAS) und thermische Desorptionsspektoskopie (im vorliegenden Antrag) - soll ein urnfassendes Verstlindnis der atomaren Vorgange wdhrend der Adsorption und Desorption verschiedener Adsorbate auf Kristalloberflächen erreicht werden.

Das Verständnis des Verhaltens von Adsorbaten auf Oberflächen ist eine entscheidende Voraussetzung um Einblicke in komplexe Prozesse wie etwa katalytische Reaktionen zu erhalten. Folglich zielte dieses Projekt auf die Analyse von Adsorbatschichten auf Kristall-oberflächen ab. Die Kombination aus Desorptionspektroskopie und kinetischer Monte-Carlo (KMC) Simulation hat sich als sehr erfolgreich erwiesen um das Desorptionsverhalten direkt mit den zugrundeliegenden Prozessen auf atomarer Skala zu erklären. Nach der Entwicklung einer neuartigen KMC Simulation, die speziell auf die Behandlung von Desorptionsphänomenen optimiert ist, wurde ihre Fähigkeit wohlverstandene Desorptions-spektren nachzubilden unter Beweis gestellt. Anschließend haben wir diese KMC Simulation auf kompliziertere Adsorbatsysteme angewendet. Die Standardanalyse von Desorptionsspektren scheitert zumeist an der Ermittlung atomarer Wechselwirkungsenergien für Adsorbate mit schwacher laterale Wechselwirkung. Der Grund für diese Schwierigkeiten ist ein Phasenübergang von kondensierten Adsorbatinseln zu einer 2D Gasphase. Die KMC Simulation ist jedoch perfekt zu Analyse solcher Systeme geeignet und kann deren Verhalten auf atomare Prozesse zurückzuführen. Für Xe auf Pt(111) und N2 auf Cu(110)(21)O haben wir so die für die Desorption bestimmenden atomaren Wechsel-wirkungsparameter ermittelt. Kürzlich durchgeführte Messungen deuten darauf hin, dass sich Metalle ähnlich verhalten. Dies würde die generelle Bedeutung dieser Studien unterstreichen. Adsorbate zeigen oft ein deutlich anderes Verhalten auf gestuften als auf stufenarmen Oberflächen. Überraschender Weise findet die Xe Adsorption auf Pt(997) Reihe für Reihe statt. Zu Erklärung wurden in der Literatur unterschiedliche Modelle vorgeschlagen. Mit einer quantitativen KMC Analyse haben wir das Modell, das mit dem Experiment am besten in Einklang ist, identifiziert. Mit der Annahme einer schwachen lateralen Xe-Xe Wechselwirkung ist es uns zusätzlich gelungen mittels der KMC Simulation die experimentell beobachteten Desorptionsspektren quantitativ nachzubilden. Ein bedeutendes Phänomen ist der Einfluß der endlichen Größe von Substratstrukturen auf das Verhalten der Adsorbate. Diesbezüglich haben wir das Desorptionsverhalten von CF4 auf der nanostrukturierten Cu-CuO Streifenphase untersucht. Tatsächlich zeigt dieses System einen deutlichen "finite size" Effekt: Die Desorptionsenergie weist eine starke Abhängigkeit von der Breite der CuO-Streifen auf. Als Ursache für die Energieverschiebung konnten wir die durch die CuO-Streifen begrenzte Breite der CF4 -Inseln identifizieren. Die Studie dieser Desorptionsphänomene hat gezeigt, daß die Kombination von thermischer Desorption und KMC Simulation eine Methode der ersten Wahl ist, um Einblicke in die dem Adsorbatverhalten zugrundeliegenden Prozesse auf atomarer Skala zu gewinnen.