Unkonventionelle Kopplung von elektronischen Quanteneffekten und atomarer Diffusion in Pb auf Si(111)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Janet Anders; Professorin Dr. Regina Hoffmann-Vogel; Professor Dr. Ralf Metzler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513075417

Diffusion ist nicht nur wichtig um fundamentale physikalische Prozesse wie elektrischen Strom, Strukturbildung an Oberflächen oder molekulare Reaktionen in lebenden Zellen zu verstehen, sie ist auch entscheidend bei technischen Anwendungen, z.B. wenn zur Herstellung von Computerchips Materialien in industriellen Prozessen auf Si-Substraten aufgewachsen werden. Metalle auf Halbleitern aufzuwachsen führt zu neuen Herausforderungen wegen der stark unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften der beiden Materialklassen. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Verbindung zwischen elektronischen Eigenschaften und unkonventioneller Diffusion von Pb auf Si(111) zu verstehen. Für herkömmliche atomare Diffusion würden wir erwarten, dass die mittlere Ortsveränderung mit der Zeit zunimmt wie t^alpha mit alpha=1, und dass das diffundierende Teilchen durch Konzentrationsgradienten angetrieben wird, so dass es sich im Mittel so bewegt, dass diese sich verringern. Für Pb auf Si(111) wurde festgestellt, dass Pb sich ballistisch über mesoskopische Abstände mit alpha=2 bewegt. Diese Beobachtungen wurden mit der neuen Idee von ultraschneller Ausbreitung und kollektiver Superdiffusion in Verbindung gebracht. Zusätzlich wurde beobachtet, dass sich benachbarte Pb Inseln auf Si(111) in ähnliche Richtungen bewegen, entgegen Gradienten, die sie antreiben sollten. Solche scheinbaren Widersprüche zeigen, dass sowohl bessere Experimente, die mögliche Artefakte noch besser als bisher ausschließen, als auch bessere Modelle gebraucht werden, damit wir die Ursprünge dieses unkonventionellen Verhaltens erklären können. Wir werden die unkonventionelle Diffusion von Pb auf der Si(111) Oberfläche mit Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum untersuchen und die Ergebnisse mit Rechnungen untermauern. Wir werden zuerst die Existenz der früher behaupteten, aber nicht direkt beobachteten atomaren Superdiffusion von Pb bestätigen für verschiedene Systemparameter. Wir werden die beobachtete atomare Bewegung analysieren und ein quantitatives stochastisches Modell für die superdiffusive Dynamik aufstellen. Zusätzlich werden wir untersuchen, wie die unkonventionelle Diffusion von klassischen oder quantenmechanischen elektronischen Effekten verursacht wird. Experimentell können wir die Größe der Pb Inseln und die Pb Konzentration als Funktion der Zeit messen. Diese hängt mit der Anzahl der Atome N zusammen und wir können die elektronische Austrittsarbeit Phi über den Inseln und über der Benetzungsschicht messen. Das chemische Potenzial mu der Elektronen ist hier verknüpft mit der elektronischen Austrittsarbeit Phi, die über die Kelvin Methode zugänglich ist. Das chemische Potenzial der Elektronen wiederum ist verknüpft mit dem chemischen Potenzial der Atome, was schon früher gezeigt wurde. Dieser Zusammenhang wird es uns erlauben, die thermodynamische Energie Ndmu zu verstehen, die die Diffusion antreibt, und uns die volle Information geben, die wir benötigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen