Der elementare Diffusionssprung auf Eisenoberflächen

Diffusion auf beziehungsweise in Oberflächen wurde in theoretischen Arbeiten eingehend diskutiert, während experimentelle Untersuchungen aufgrund erheblicher experimenteller Schwierigkeiten eher selten und vereinzelt geblieben sind. Daher steht das Verständnis der Oberflächen-Diffusion erst am Anfang. Diese Situation unterscheidet sich gänzlich von der im Inneren von Festkörpern, die mit einer Vielfalt von Methoden untersucht wurde. In einfachen Materialien, wie z. B. reinen Metallen, geordneten Legierungen oder Halbleitern, ist die Erforschung der Diffusion bereits weit fortgeschritten. Sogar der atomistische Diffusionsmechanismus wurde in einigen ausgewählten Systemen geklärt. In diesem Projekt schlagen wir vor, die Diffusion auf Oberflächen mittels kernresonanter Synchrotronstrahlung zu untersuchen. Es ist geplant, die stochastischen Fluktuationen des elektrischen Feldgradienten (EFG), ausgelöst durch die Bewegung der Atome auf einer Eisen-Monolage, zu messen.

Information über Diffusion ist von fundamentaler Bedeutung für die Formation und Stabilität von Festkörpern. Die Volumsdiffusion in Metallen, Halbleitern und einfachen Legierungen ist gut verstanden, Untersuchungen zur Diffusion in Oberflächen und dünnen Schichten sind jedoch noch im Anfangsstadium.Das Ziel dieses Projekts war die Untersuchung der Dynamik in niedrig-dimensionalen Strukturen. Im Speziellen sollten einzelne Atomsprünge auf atomaren Fe Schichten mittels stochastischer Fluktuationen des elektrischen Feldgradienten aufgelöst werden, wobei die Fluktuationen des Feldgradienten aus den zufälligen atomaren Sprüngen resultieren. Kernresonante Röntgenstreuung ermöglicht es, diese Fluktuationen des Feldgradienten im zeitlichen Verlauf der Streuintensität bei Temperaturänderung zu verfolgen. Die Studie kann in zwei Bereiche eingeteilt werden. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Diffusion von Fe Atomen innerhalb einer einzelnen Fe Schicht gewachsen auf W(110). Im zweiten Teil wurde die Diffusion von Gasatomen (CO, N2, O2) und auch Ag und Au Atomen auf der Oberfläche einer solchen Fe Schicht untersucht.Im ersten Teil verfolgten wir die Formation und Migration von Defekten (höchstwahrscheinlich Leerstellen) in einer einzelnen Eisen-Monolage auf einem W(110) Substrat. Die zugehörige Migrationsenergie EM=0.17(5)eV und Formationsenergie EF=0.16(6)eV, die Komponenten der gesamten Aktivierungsenergie des fundamentalen Diffusionsprozesses von Fe in dieser Fe Schicht, konnten bestimmt werden. Zum ersten Mal war es also möglich, mit einer atomistischen nuklearen Methode Diffusion in einem 2-dimensionalen System zu messen. Die Untersuchung der Diffusion von Adsorbaten an der Oberfläche gestaltete sich hingegen um einiges schwieriger. Vielfach konnte eine Destabilisierung der pseudomorphischen Fe Einzelschicht bedeckt mit Adsorbaten durch die Temperaturbehandlung beobachtet werden. Diese Experimente zeigten jedoch die vielfältigen Eigenschaften dieser einzelnen Fe Schicht in Bezug auf Adsorption und Reaktivität. In bestimmten Fällen führt Absorption von Sauerstoff zu einer Sauerstoff Überstruktur p(3x2), welche erstmals für dieses System beobachtet werden konnte. Durch Anwendung komplementärer oberflächensensitiver Methoden konnten wir einerseits ein Modell der Geometrie der Sauerstoff Adsorption für die p(3x2) Überstruktur und andererseits die Parameter der Hyperfeinstruktur der Fe Atome ableiten.