Rastertunnelmikroskop

• Subject Area: Chemical Solid State and Surface Research
• Term: Funded in 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 209729691

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Das von der DFG geförderte Rastertunnelmikroskop (RTM) ist eine Weiterentwicklung eines Hochtemperaturmikroskops, welches einerseits unter Ultrahochvakuumbedingungen bei Temperaturen bis zu 1000° C und zusätzlich bei erhöhten Drücken (10 mbar) bis zu 300 °C funktionieren soll. Wir waren selbst an der Entwicklung des Gerätes beteiligt, und es stellte sich heraus, dass die Probenhalterung als zentraler Punkt des Designs von uns eigenständig weiterentwickelt werden musste und immer noch wird. Die von uns entwickelte Halterung ermöglicht es inzwischen, die Probentemperatur während des Tunnelbetriebes zu verändern, ohne dabei den Abbildungsbereich des RTMs zu verlieren. In unserem Aufbau ist uns hier ein technischer Durchbruch gelungen, da wir von Raumtemperatur bis auf 250 °C die Temperatur erhöhen können, während dabei dieselbe Stelle abgebildet wird. Bei höheren Temperaturen, bei denen der Wärmeaustausch durch Strahlung wichtig wird, ist es uns immerhin bis zu Temperaturen von 700 °C möglich, die Temperatur um etwa 30 °C zu verändern, ohne den Abbildungsbereich zu verlieren. Wir führen derzeit Anpassungen bei den Probenhaltermaterialien vor, um den Probenträger widerstandsfähiger gegen die hohe thermische Belastung während der Kristallpräparation zu machen. Mit Hilfe des Mikroskops wurde die Moiré-Bildung beim Graphenwachstum auf Ir(111) systematisch untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse sind in zwei Veröffentlichungen eingeflossen (siehe 2.5 Nr. 1 und 3). Das Gerät wurde in einer Kollaboration mit Prof. A. Baraldi von der Universität Triest zur in situ Untersuchung des anisotropen Graphenwachstums auf einer Ru(10-10) Unterlage eingesetzt, wofür wir einen Erasmus-Studenten (Herrn Curcio) an dem Gerät ausgebildet haben. Aufgrund der Anisotropie der Unterlage passt das Graphengitter entlang einer kristallographischen Achse zur Unterlage, während es entlang der anderen Kristallrichtung a priori zu keiner kommensuraten Struktur kommen sollte. Erstaunlicherweise werden allerdings beim Wachstum von Graphen auf Ru(10-10) drei verschiedene Oberflächenphasen gebildet, die sich in der Wechselwirkung zur Unterlage unterscheiden. Die erzielten Ergebnisse aus der Doktorarbeit von Herrn Curcio sollten in eine Publikation münden, die jedoch aufgrund der Coronakrise gestoppt werden musste, da Prof. Baraldi als Physikdekan der Universität Trieste seit dem Ausbruch von Corona ausschließlich mit Coronafragen überhäuft wird. Aus diesem Grund werden unter 2.7 Rastertunnelbilder zu den gebildeten Graphenschichten gezeigt, welche die Abbildungseigenschaften des Mikroskops belegen. Mit Hilfe des RTMs wurde das Oxidationsverhalten von Ni3Al(111) in mehreren in-situ Studien bis zu einer Temperatur von 950 K untersucht. Dieses System ist vor allem deshalb interessant, da sich auf dieser Unterlage ein Doppellagen Aluminiumoxid mit einer (67×67)R12.1°-Struktur wachsen lässt, welches für Metallatome als Templat wirkt und Metallpartikel mit einheitlicher Größe stabilisiert. Aus diesem Grund wurde diese Fläche als oxidischer Träger für Metallkatalysatoren in einer Vielzahl von Untersuchungen verwendet. Unsere Studien zeigten, dass sich durch Sauerstoffdosierung bei etwa 740 K auf der Ni3Al(111) Oberfläche eine Vorstufe zu dem genannten Doppellagenoxid bildet, die aus einer einzelnen Aluminiumoxidlage mit einer (7×7) Struktur besteht. Wir konnten nachweisen, dass der zur Bildung dieses Oxides benötigte Materialtransport jeweils auf eine einzige atomare Terrasse begrenzt ist und sich deshalb die Oxidschicht mit der Kinetik einer Adsorbatphase bilden kann. Insbesondere erlaubt es diese Tatsache, eine derartige Oxidschicht flächendeckend zu wachsen (siehe 2.5 Veröffentlichung Nr. 2). Bei etwas niedrigerer Temperatur konnte von uns die Bildung einer bislang unbekannten Doppellagen Aluminiumoxidphase mit einer (43×43)R30°-Struktur nachgewiesen werden, welche dem Bildungsprinzip von α-Al2O3 folgt (siehe 2.5. Publikation 4). Gegenüber diesen beiden Oxiden bildet sich das (67×67)R12.1°-Doppellagenoxid, wenn sich das Oxidgitter am Interface zum Gitter der Unterlage verdreht, was ab Temperaturen oberhalb von 800 K zunehmend stattfindet. Während dieser erhöhten Temperatur setzt jedoch bei der Oxidation gleichzeitig O-Diffusion in das Volumen ein und führt dort zur Oxidbildung unterhalb der Oberfläche. Dadurch wird metallisches Material an die Oberfläche gedrängt. Bei der Auswertung der in-situ RTM Daten wurde ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem der Materialtransport während der Oxidbildung bilanziert werden kann. Dabei wurden Genauigkeiten im 10-2 Monolagen Bereich erreicht, auch dann, wenn sich die Prozesse unterhalb der Oberfläche abspielen. Weiterhin konnte in-situ nachgewiesen werden, dass sich bereits gebildete Oxidstrukturen während der Temperaturerhöhung neu umordnen, jedoch auf der Oberfläche verbleiben. Die gewonnenen Erkenntnisse haben weitreichende Konsequenzen für katalytische Modellstudien und geben allgemein Aufschluss zum Oxidationsverhalten metallischer Legierungen. Die entsprechende Veröffentlichung ist eingereicht und befindet sich derzeit im Reviewverfahren. Wir führen eines der durchgeführten in-situ Experimente unter 2.7 aus. Das Mikroskop wird ausserdem für die Untersuchung weiterer Hochtemperaturvorgänge auf Oberflächen eingesetzt, die noch nicht in einer Publikation mündeten. U.a. wird die Oad induzierte Facettierung einer Cu(115) Oberfläche oder das Ausbilden eines kovalenten Netzwerkes auf Au(111) untersucht. Zu beiden Systemen wird in 2.7 ebenfalls ein exemplarisches Experiment beschrieben. Alle Beispiele belegen die einzigartigen Fähigkeiten des Gerätes. Die Schwierigkeiten bei der Entwicklung des Gerätes werden in Punkt 3.3 und 4.1 dargestellt.

Publications

• Indexing moiré patterns of metal-supported graphene and related systems: strategies and pitfalls. New Journal of Physics, 19(1), 013015.
  Zeller, Patrick; Ma, Xinzhou & Günther, Sebastian
  
• Imaging the confined surface oxidation of Ni3Al(111) by in situ high temperature scanning tunneling microscopy. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(34), 21844-21855.
  Ma, Xinzhou & Günther, Sebastian
  
• Moiré Patterns of Graphene on Metals. Encyclopedia of Interfacial Chemistry, 295-307. Elsevier.
  Günther, S. & Zeller, P.
  
• Observation of a novel double layer surface oxide phase on Ni3Al(111) at low temperature. Nanoscale Advances, 1(11), 4501-4512.
  Ma, Xinzhou; Kratky, Tim & Günther, Sebastian