Segregation an Oberflächen: Vorhersage auf ab-initio Basis
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hatte in seinem ersten Teil die quantitative theoretische Beschreibung und damit Voraussagbarkeit der kristallographischen Geometrie und der chemischen Zusammensetzung von Metall-Legierungsoberflächen in ihren ersten paar Atomlagen zum Ziel. Auf dem Hintergrund der katalytischen und korrosiven Eigenschaften dieser Oberflächen sollte im zweiten Teil dann die Beeinflussung von Geometrie und Chemie der Oberflächen durch Adsorbate wiederum quantitativ untersucht werden. Für beide Ziele war der Einsatz von Methoden sowohl der Quantenmechanik als auch der statistischen Physik geplant, d.h. die Kombination von Dichtefunktionaltheorie (=DFT)-Rechnungen mit der sog. Clusterentwicklung (=CE) und Monte-Carlo (=MC)-Methoden. Die Ziele konnten durch Neu- und Weiterentwicklung insbesondere der Clusterentwicklung voll erreicht werden. Mit der Methode gelingt es, durch den Input nur weniger quantenmechanisch (mittels DFT) aufwändig und genau berechneten Modellstrukturen die Energetik und damit günstige oder ungünstige Realisierung einer Riesenmenge von Teststrukturen zu untersuchen. Dazu musste die CE, die zur Beschreibung von Volumeneigenschaften bereits existierte, auf die Beschreibung von Oberflächeneigenschaften weiterentwickelt werden. Damit (und mit MC fur auch für hohe Temperaturen) gelang die quantitative Beschreibung der unbedeckten Legierungsoberflächen in voller Übereinstimmung mit dem Experiment. Im zweiten Schritt erfolgte dann die aufwändige Erweiterung der CE auf mehrkomponentige Oberflächensysteme, wobei die Mehrkomponentigkeit die Anwesenheit von Adasorbaten auf der Oberfläche mit einschließt. Neben der über Jahrzehnte ausführlich untersuchten adsorbatinduzierten geometrische Rekonstruktion tritt bei Legierungsoberflächen zusätzlich die adsorbatinduzierte Segregation auf, d.h. die Änderung des Segregationsprofils in der Oberfläche durch Adsorption von Gasen oder Molekulen. Es gelang, diese Abhängigkeit parameterfrei vorherzusagen. Als Modellsystem diente dabei die Kohlenstoff-Adsorption auf der Pt25 Rh75 (100)-Oberfläche. Das Herzstück der Modellierung bildet eine neu entwickelte universelle Form der CE. Sie erlaubt durch Konstruktion eines effektiven Vielteilchen-Hamiltonians aus DFT-Rechnungen zum einen das Abrastern riesiger Konfigurationsräume, zum anderen eine Multiskalenmodellierung bis zumindest in die Mesoskala. Der entwickelte Code gestattet dabei ausgehend von Symmetrieargumenten die Anwendung auf beliebige Gittertypen und eine beliebige Zahl von Komponenten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Density functional theory meets statistical physics: From the atomic to the mesoscopic scale”. Surf. Interf. Anal. 38, 1158 (2006)
S. Müller
- “Structure and stability of binary alloy surfaces: Segregation, relaxation, and ordering from first-principles”. Appl. Phys. A 82, 419 (2006)
S. Müller, M. Stöhr, O. Wieckhorst
- “Unusual adsorption site of hydrogen on the unreconstructed Ir(100) surface”. Phys. Rev. B 73, 075430 (2006)
D. Lerch, A. Klein, A. Schmidt, S. Müller, L. Hammer, K. Heinz, M. Weinert
- “Adsorbate cluster expansion for an arbitrary number of inequivalent sites”. Phys. Rev. B 78, 121405(R) (2008)
D. Lerch, O. Wieckhorst, L. Hammer, K. Heinz, and S. Müller
- “Ab-initio phase diagram of oxygen adsorption on W(110)”. J. Phys.: Condens. Matter. 21, 134017 (2009)
M. Stohr, R. Podloucky, and S. Müller
- “The role of point defects for NiAl(100) surfaces”. J. Phys.: Condens. Matter. 21, 134007 (2009)
K. Dossel, D. Lerch, L. Hammer, and S. Müller
- “UNCLE: a code for constructing cluster expansions for arbitrary lattices with minimal user input”. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 17, 05503 (2009)
D. Lerch, O. Wieckhorst, G.L.W. Hart, R. Forcade, and S. Müller
- “Predicting the segregation profile of the Pt25 Rh75 (100) surface from first-principles”. J. Phys.: Condens. Matter. 22, 384203 (2010)
P. Welker, O. Wieckhorst, T.C. Kerscher, and S. Müller
