Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4144
Ikonomov, Julian Borislavov
STM studies of islands on Cu and Pt surfaces
84 S., 2004
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Gleichgewichts- und Nicht-
Gleichgewichtsphänomene auf Pt(111)- und Cu(100)-Oberflächen mittels eines
Rastertunnelmikroskops (RTM) quantitativ untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war,
theoretische Methoden, die auf der statistischen Physik basieren, bei der Analyse von
RTM-Bildern anzuwenden und dadurch atomistische Energieparameter der
Oberflächendiffusion auf Metallsubstraten zu bestimmen. Hier wurde insbesondere auf
solche Prozesse das Augenmerk gelegt, bei welchen die individuellen atomaren
Hüpfprozesse nicht direkt beobachtet und somit auch bezüglich der Energieparameter
nicht unmittelbar ausgewertet werden können. Wie früher bereits gezeigt wurde, kann
man mittels dieser theoretischen Methoden Aktivierungsenergien für die
Oberflächendiffusion, prä-exponentielle Faktoren sowie Bildungsenergien bestimmen.
In dieser Arbeit wurden die theoretischen Methoden angewendet, um freie
Stufenenergien zu messen, dominante Transportprozesse auf den Oberflächen zu
identifizieren sowie die relevanten Diffusionsbarrieren zu ermitteln. Für Pt(111) wurde
die Gleichgewichtsform von monoatomar hohen Adatominseln und deren
Randfluktuationen in einem Temperaturbereich zwischen 533 und 713 K gemessen.
Daraus konnte erstmalig das Verhältnis zwischen den freien Energien von sogenannten
A- und B-Stufen auf Pt(111) als Funktion der Temperatur ermittelt werden. Durch
Anwendung der relativ neuen Methode der Analyse der Inselrandfluktuationen konnten
zudem erstmalig experimentelle Werte für die absoluten Stufenenergien für A- und B-Stufen
angegeben werden (βA = 395 ± 17 meV, βB= 340 ± 17 meV).
Als Beispiel für ein Nicht-Gleichgewichtsphänomen wurde die Ostwald-Reifung von
monoatomar hohen Leerstelleninseln auf Cu(100) wurde zwischen 323K und 398K
untersucht . Hier konnte ein früheres Ergebnis bestätigt werden, daß auf Cu(100)
monoatomare Leerstellen die dominante Transportspezies darstellen . Durch Messung
der temperaturabhängigen Zerfallsrate erhält man die relevante Aktivierungsenergie .
Der Vergleich mit den früheren Messungen erlaubte erstmalig auch die direkte Messung
der Anlagerungsbarriere von Leerstellen an den Rand einer Leerstelleninsel auf Cu(100)
zu etwa 0.1 eV. In dieser Arbeit wurde ein weiterer Zerfallsprozess untersucht, der erst
kürzlich als ein wichtiger Prozess auf fcc(111) Flächen entdeckt wurde und der den
Inselzerfall erheblich beschleunigen kann, der schnelle Inselzerfall. Hier konnte gezeigt
werden, daß ein solcher Prozess auch auf Pt(111) existiert. Schließlich wurde ein
weiterer Reifungsprozeß untersucht, der insbesondere auf fcc (100) Flächen eine
wichtige Rolle spielt, die Inselkoaleszenz. Sie wurde im Rahmen dieser Arbeit für den
Fall monoatomar hoher Leerstelleninseln auf Cu(100) zwischen 303K und 353K
untersucht . Es konnte gezeigt werden, daß die Equilibrierung der Inselform nach der
Koaleszenz vorwiegend durch Diffusion entlang der Inselkanten getragen wird. Die
Aktivierungsenergie konnte zu 614 meV bestimmt werden. Der zugehörige präexponentielle
Faktor ist etwa 10 14 s-1. Während letzterer in der erwarteten
Größenordnung liegt, ist die Aktivierungsenergie von 614 meV deutlich kleiner als man
es für die Diffusion entlang von Stufen, die im Mittel entlang der atomar dichten
Richtung verlaufen, kennt. Dieses Ergebnis bestätigt jedoch eine kürzliche, vorläufige
Analyse von Stufenfluktuationen stark gekinkter Stufen, bei der ebenfalls eine
Aktivierungsenergie von etwa 650 meV gemessen wurde.
This thesis deals with quantitative studies of equilibrium and non-equilibrium
phenomena on Pt(100) and Cu(100) surfaces using scanning tunneling microscopy
(STM). The aim of this work is apply theoretical methods based on statistical physics to
determine atomistic energy parameters of surface diffusion processes on metal
substrates which cannot be directly detected, and hence, analyzed as individual atomic
hopping events. As was shown previously, one may determine activation barriers of
diffusion, pre-exponential factors and formation energies . In this thesis, the theoretical
methods were applied to Pt(111) and Cu(100) substrates and step free energies were
measured, dominant mass transport processes were identified and the relevant activation
energies were obtained. On Pt(III), for instance, the equilibrium shape and the
equilibrium edge fluctuations of monatomic high islands were studied between 533 K
and 713 K. Using the measured equilibrium shapes, the ratio between the step free
energies of A- and B-steps on Pt(111) was analyzed for the first time as a function of
temperature. Using the relatively new method of island edge fluctuation studies,
absolute values for the free energies for A- and B-steps on Pt(111) could be determined
experimentally for the first time.
As a non-equilibrium phenomena, the Ostwald ripening of single-layer deep
vacancy islands on Cu(100) was investigated between 323 K and 398 K. A previous
result could be confirmed that the mono-vacancies are the dominant mass transport
species on Cu(100). From the temperature dependence of the decay rate, the relevant
activation energy have been obtained. Comparing the activation energy found in this
thesis with previous measurements allowed the determination of the sticking barrier of
mono-vacancies at vacancy island edges on Cu(100). A further island decay process
was studied in this work which has been discovered only recently to accelerate island
decay on fcc(111) surfaces, the rapid island decay. In this thesis, it is shown that this
fast decay channel exists also on Pt(111). Finally, a coarsening process is discussed
which has a great importance on fcc (100) surfaces, the island coalescence. Here, the
coalescence of single-layer deep vacancy islands on Cu(100) was investigated between
303 K and 353 K. It could be shown that the equilibration of the island shape after
coalescence is dominated by atom diffusion along the island edges. The relevant
activation energy was determined and the result corroborates recent preliminary studies
of fluctuations of highly-kinked steps which showed that the activation energy is much
lower compared to the energy measured for steps along the atomically dense direction.
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