Lasergetriebene Manipulation von Adsorbaten auf nicht-rigiden Oberflächen: H:Si als Modellsystem

• Applicant: Professor Dr. Peter Saalfrank
• Subject Area: Theoretical Chemistry: Electronic Structure, Dynamics, Simulation
• Term: from 2003 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5421790

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Wasserstoffbedeckte Siliziumoberflächen sind von großem praktischen Interesse, etwa für die Passivierung von Halbleiteroberflächen in der Mikrochipherstellung. Sie bieten aber auch ein hochinteressantes “Mikrolabor” für die Grundlagenforschung, in dem fundamentale Prozesse eines “Systems” (adsorbierte Atome) im Kontakt mit einem “Bad” (die Schwingungen des Festkörpers) untersucht werden können. So wurde im Jahre 2006 am Beispiel von H:Si(111), erstmals für ein polyatomares System, trotz Vibrationsrelaxation und Modenkopplung von modenselektiver Anregung und Desorption von Wasserstoff mit Infrarot-Laserpulsen berichtet. Modenselektivität in einem Adsorbat käme einem kleinen Paradigmenwechsel gleich, da störende “Intramolecular Vibrational Energy Redistribtution” (IVR) allgegenwärtig und schnell ist, und mit der Komplexität des molekularen Systems zunimmt. In der Tat wurde kürzlich (September 2011) diese Arbeit zurückgezogen – wegen Nicht-Reproduzierbarkeit. Die Suche nach Modenselektivität in H:Si oder verwandten Systemen bleibt also spannend. Das vorliegende Projekt befasst sich mit der theoretischen Untersuchung der Möglichkeiten und Grenzen modenselektiver Anregungen in Adsorbaten mit Lasern, und der daraus möglicherweise resultierenden Manipulationen. V.a. am Beispiel von Wasserstoff auf Silizium wurde untersucht: (1) Mechanismen und zeitlicher Verlauf der Vibrationsrelaxation von Adsorbaten nach Vibraa tionsanregung durch Ankopplung an Phononen der Oberfl¨che; (2) Skalierung der Vibrationslebensdauer mit dem Anregungsniveau; (3) Effekte der Temperatur, der o Modenkopplung im Adsorbat und der Isotopensubstitution; (4) Möglichkeiten und Grenzen der modenselektiven Anregung bestimmter Adsorbatmoden mit geformten Infrarot- (IR-) Laserpulsen; (5) IR-Steuerung der Desorption von Wasserstoff von Oberflächen, sowie des Umkehrprozesses, der Adsorption. Neben H/Si wurden auch Modellsysteme betrachtet um generische Aspekte herauszuarbeiten. Ein wichtiges Ziel des Projekts war die Weiterentwicklung geeigneter theoretischer Methoden für die genannten Zwecke. Hierzu wurden Clustermodelle in Koma bination mit quantendynamischen Verfahren verwendet, nämlich die Dichtematrixtheorie offener Quantensysteme zusammen mit Fermis Goldener Regel auf der einen Seite, sowie die explizite Lösung hochdimensionaler Kern-Schrödingergleichungen mittels TDSCF (Time Dependent Self Consistent Field) und MCTDH (Multi Configurational Time Dependent Hartree) Methoden auf der anderen. Ein zentrales Ergebnis des Projekts ist: In Systemen wie H:Si(100), in denen gewisse Adsorbatmoden (z.B. die Si-H-Streck- und die Si-Si-H-Biegeschwingung) energetisch wohlsepariert von Festkörpermoden (Phononen und / oder elektronische Anregungen) sind, sollte eine bindungs-, z.T. sogar modenselektive Anregung z.B. mit IR-Laserpulsen möglich sein, welche eine hochspezifische Dynamik und Chemie erlaubt, etwa den isotopenselektiven Bindungsbruch.

Publications

• Free Vibrational Relaxation of H Adsorbed on a Si(100) Surface Investigated with the Multi-Configurational Time-Dependent Hartree Method. Chem. Phys. Lett. 433, 91-96 (2006)
  I. Andrianov und P. Saalfrank
  
• Open-system Quantum Dynamics of Vibrational Excitation and Relaxation of Adsorbates. In: K.H. Hughes, ed., “Dynamics of Open Quantum Systems”, CCP6, Daresbury, 74-79 (2006), ISBN 978-0-9545289-6-6
  P. Saalfrank, I. Andrianov, S. Beyvers, Y. Ohtsuki, M. Nest und R. Martinazzo
  
• Quantum Dynamics of Laser-induced Desorption from Metal and Semiconductor Surfaces, and Related Phenomena. J. Phys.: Condens. Matter 18, S 1425-S 1459 (2006)
  P. Saalfrank, Mathias Nest, Ivan Andrianov, Tillmann Klamroth, Domionik Kröner und Stephanie Beyvers
  
• Theoretical Study of Vibration-phonon Coupling of H Adsorbed on a Si(100) Surface. J. Chem. Phys. 124, 034710-1-10 (2006)
  I. Andrianov und P. Saalfrank
  
• Breaking Relaxing Bonds at a H:Si(100)-(2×1) Surface with Infrared Laser Pulses. J. Phys. Chem. C 111, 5432-5440 (2007)
  G.K. Paramonov, I. Andrianov und P. Saalfrank
  
• Modeselective Excitation of Hydrogen Atoms on a Si Surface: Non-Markovian and Markovian Treatment of Infrared-laser Driven Dissipative Quantum Dynamics. Phys. Rev. B 75, 045405-1-12 (2007)
  G.K. Paramonov, S. Beyvers, I. Andrianov und P. Saalfrank
  
• Controlling the Photodesorption of Adspecies from Surfaces. Surf. Sci. 602, 3153-3161 (2008)
  P. Saalfrank, T. Vazhappilly, S. Beyvers, G.K. Paramonov und T. Klamroth
  
• The Time-evolution Operator Method for Non-Markovian Density Matrix Propagations in Time-and Space Representation: Application to Association of OH in an Environment. Phys. Rev. A 79, 013415-1-9 (2009)
  G.K. Paramonov und P. Saalfrank
  
• Temperature Effects for Vibrational Relaxation of Hydrogen Adsorbed on Si(100): A Stochastic Multiconfiguration Time-Dependent (MCTDH) Study. Theor. Chem. Accts. 127, 183-193 (2010)
  F. Lüder, M. Nest und P. Saalfrank