Fast Atom Diffraction during scattering from surfaces

• Applicant: Professor Dr. Helmut Winter
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2009 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 153704159

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

In dem geförderten Projekt konnten in der abschließenden Periode diverse Aspekte dieser neuen Methode erfolgreich bearbeitet werden. Generell ist festzustellen, dass sich die Erwartungen an die neue Technik, die in den methodischen Grundzügen der Beugung schneller Elektronen an Oberflächen (RHEED) ähnlich ist, in allen Belangen erfüllt haben. Schon nach wenigen Jahren hat sich die „Fast Atom Diffraction“ (FAD) als eine leistungsfähige neue Methode der Oberflächenphysik etabliert, was sich in den Beträgen der FAD zur Klärung ungewisser Strukturen eindrucksvoll belegen lässt. Die Beiträge reichen von einer sehr genauen Bestimmung des „Rumpling“ einer LiF(001)-Oberfläche bis zu wichtigen Beiträgen zur Klärung der Terminierung von V2O3-Filmen auf einer Au(100)-Oberfläche. Durch die Möglichkeit Wachstumsprozesse und Oxidationsprozesse in Echtzeit beobachten zu können, eröffnet sich ein weites Anwendungsgebiet. Erste Entwicklungen in diese Richtung stellen Erweiterungen an einem MBE-System einer französischen Arbeitsgruppe dar, bei denen ein kompakter Aufbau zur Untersuchung der Eigenschaften von Halbleiter-Oberflächen mittels FAD zu Einsatz kommt. Vergleichbar mit den von uns realisierten Studien zur Oxidation von Mo(112) lassen sich mit FAD sehr erfolgreich die Epitaxie von GaAs kontrollieren und studieren. Somit haben sich in der Tat die im Antrag benannten Erwartungen an das Applikationspotential der neuen Methode in allen Belangen erfüllt. Diverse Fragestellungen zur FAD wurden bearbeitet. Als völlig neuer Aspekt standen in diesem Projekt die mit organischen Molekülen bedeckten Oberflächen im Fokus unserer Arbeiten. Vor allem am System Alanin/Cu(110) konnten diverse Phasen der Struktur an der Grenzflächen mittels FAD untersucht werden. Durch die sehr hohe Sensitivität auf die oberste Lage der geordneten Anordnung adsorbierter Moleküle konnten die Struktur der Einheitszellen und damit u.a. für die sog. aus LEED-Studien bekannte „verzerrte“ Phase IVa die detaillierten Positionen der Atome der obersten Lage bestimmt werden. Mit diesen Informationen konnten nun die LEED-Muster im Detail interpretiert werden. Ähnliche Arbeiten konnten erfolgreich an dem V2O3/Au(110)-System und an der Oberfläche eines Ga2O3-Volumen-Kristalls realisiert werden. Für die Al2O3-Oberfläche konnten wir auch für die (0001)-Fläche Evidenz für longitudinale Kohärenz zeigen, womit die Transferweite der FAD- Methode um über eine Größenordnung gesteigert werden kann. Eine wichtige Voraussetzung für die Beobachtung der Quanteninterferenzen während der Streuung schneller Atome von geordneten Festkörper-Oberflächen ist die Erhaltung der Kohärenz während des Streuprozesses. Diesbezüglich spielen die Unterdrückung elektronischer Anregungen des Festkörpers sowie der geringe Impuls-/Energie-Übertrag auf die Gitteratome eine entscheidende Rolle. In aufwendigen Koinzidenz-Experimenten konnte wir zeigen, dass die Dekohärenz bei H-Atomen maßgeblich durch den Anteile der elektronischen Anregungen bestimmt ist, bei den (schwereren) He-Atomen ist die Anregung der Gitteratome (Phononen) der wesentliche Mechanismus für den Verlust von Kohärenz. Generell liegen die Kohärenzlängen wegen der geringen de Broglie-Wellenlängen und die makroskopischen Schlitzbreiten für die Kollimation im Regime von ca. 10 Å, was aber für die Auflösung transversaler Beugungsmuster in den meisten Fällen ausreicht. In speziellen Fällen sehr großer Einheitszellen kann aber auch die longitudinale Kohärenz ausgenutzt werden und die Transferweiten der FAD auf einige 100 Å gesteigert werden.

Publications

• "Diffraction of fast H atoms during grazing scattering from an Al203(1120) surface" Nucl. Instr. Meth. B 317 (2013) 90-95
  M. Busch, J. Seifert, E. Meyer, and H. Winter
  
• "In-situ monitoring of oxygen adsorption at Mo(112) surface via fast atom diffraction" Surf. Sci. Lett. 610 (2013) L1-L5
  J. Seifert and H. Winter
  
• "Surface structure of alanine of Cu(110) studied by fast atom diffraction" Phys. Rev. Lett, 111 (2013) 137601
  J. Seifert, M. Busch, E. Meyer, and H. Winter
  
• "Studies on coherence and decoherence in Fast Atom Diffraction" Nucl. Instr. Meth. B. 350 (2015) 99
  J. Seifert, J. Lienemann, A. Schüller, and H. Winter
  
• "Surface Structure of V2O3(0001) Revisited" Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 216101
  F. E. Feiten, J. Seifert, J. Paier, H. Kuhlenbeck, H. Winter, J. Sauer, and H.-J. Freund