DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Manipulation von Spitzen und Proben - Feldionenmikroskopie und Rastertunnelmikroskopie

Wortmann, Ben

Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Tieftemperatur-Rastertunnel- und Feldionenmikroskop (LT-STM/FIM) vor und zeigt erste bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff entstandene Messer-gebnisse. Stabile Tunnelbedingungen und atomare Auflösung auf verschiedenen Probensyste-men attestieren dem STM eine gute Leistung. Auch das FIM funktioniert zuverlässig und er-möglicht bei 80 K nicht nur die Charakterisierung von Spitzen mit atomarer Präzision, sondern bietet ebenso die Möglichkeit, die Spitze kontrolliert zu schärfen oder stumpfer zu machen. Die Stabilität der Spitzen kann bei angelegter Hochspannung über Stunden gewährleistet werden. Ohne angelegte Spannung kann zumindest der Spitzenradius sowie die vorderste Facette der Spitze über mehrere Minuten konserviert werden. Eine Messreihe, bei der die Spitze über eine STM-Messung hinweg unverändert blieb, ist jedoch nicht gelungen. Dies scheint aber nicht nur eine (verfahrens-) technische Hürde zu sein. Vielmehr scheinen sich gut im FIM charakterisier-bare Spitzen generell nicht besser für STM-Messungen zu eignen als nicht im FIM manipulierte Spitzen. Auf der anderen Seite scheint auch eine typische Spitze, die gute Messergebnisse im STM liefert, auf der Nanometerskala vergleichsweise stumpf zu sein und nur durch ein einzel-nes kleines Cluster oder Adatom seine hohe Auflösung zu erreichen. Für eine Monolage CO auf Cu(111) wurde ein reversibler struktureller 2D-Phasenübergang, der lokal durch das elektrische Feld der Spitze herbeigeführt werden kann, dokumentiert und analysiert. Die Struktur beider Phasen wurde durch die Kombination von hochaufgelösten STM-Aufnahmen und DFT-Rechnungen ermittelt: Die α-Phase weist eine 7 × 7-Überstruktur mit 25 CO-Molekülen pro Einheitszelle und die β-Phase eine (3√3 × 3√3)R30°-Überstruktur mit 13 CO-Molekülen pro Einheitszelle auf. Zudem hat die α-Phase eine höhere Austrittsarbeit als die β-Phase und wird stärker durch ex-terne elektrische Felder beeinflusst. Da die Gibbsschen freien Energien der beiden Phasen sehr nahe beieinanderliegen, hat jede kleine Veränderung der Adsorptionsenergien einen deutlichen Einfluss auf den Bereich der thermodynamischen Variablen, die die eine oder andere Phase stabilisieren, sodass ein Schalten zwischen den Phasen schon bei kleinen Feldern möglich ist. Ein Unterschied zwischen den Schaltspannungen für das Hin- und Herschalten zwischen der α- und der β-Phase weist auf eine Hysterese hin, die auf einen Phasenübergang erster Ordnung schließen lässt. Die dafür benötigte Aktivierungsenergie wird bei einer Probentemperatur von 80 K thermisch zur Verfügung gestellt. Dank dieser Hysterese im Schaltverhalten können, bei passender Oberflächenbeschaffenheit, zuverlässig annähernd beliebige, stabile Muster erzeugt und abgebildet werden. Außerdem kann beobachtet werden, dass, sobald beide Phasen auf einer Terrasse koexistieren, die Phasengrenze mittels des elektrischen Feldes der Spitze zu Gunsten der einen oder anderen Phase verschoben werden kann. Dank der moderaten experimentellen Anforderungen und der hohen Präzision eines STMs bie-tet sich das System als Modellsystem zur Untersuchung der Physik struktureller Phasenüber-gänge auf atomarer Skala an.

This thesis presents a new low temperature scanning tunneling and field ion microscope (LT-STM/FIM). First STM measurements taken while cooling with liquid nitrogen demonstrate its good performance with stable tunneling conditions and atomic resolution on different sample systems. Likewise, the FIM works reliably and at 80 K and not only serves to characterize tips with atomic precision, but can also be used to sharpen the tip or make it blunter in a controlled fashion. While high voltages are applied to a tip it remains stable for hours. Without an applied voltage, the tip radius and its foremost facet can be preserved for several minutes. However, attempts to characterize a tip using FIM that stays stable throughout an STM experiment have remained unsuccessful. Yet, this doesn’t simply seem to be due to shortcomings of the setup or experimental conduct. In fact, tips that lead to good FIM images don’t seem to be any better for STM experiments than tips that haven’t been manipulated in a FIM setup. Respectively, the typical tip leading to good STM measurements appears to be rather blunt on the nanometer scale and achieves its high resolution by a sole adatom or small cluster. For a monolayer CO on Cu(111) a reversible structural 2D phase transition that can be locally induced by the electric field of a tunneling tip, was documented and analyzed. A combination of high resolution STM images and DFT calculations was used to identify the atomic structure of both phases. The α-phase is made up of a 7 × 7 superstructure containing 25 CO molecules per unit cell whereas the β-phase exhibits a (3√3 × 3√3)R30° superstructure containing 13 CO molecules per unit cell. The α-phase has a higher work function than the β-phase and it is effected more strongly by external electric fields. As the Gibbs free energies of both phases is extremely similar, any small change in the adsorption energies has a significant influence on the range of the thermodynamic variables stabilizing one phase or the other. Therefore, small electric fields suffice to induce a transition between the two phases. A difference in voltage between the threshold for the formation of the β phase and the one for the formation of the α phase indicates a hysteresis, corresponding to a first order phase transi-tion. At a sample temperature of 80 K the required activation energy is overcome by thermal activation. Given suitable surface conditions, this hysteresis allows for the creation and imaging of almost arbitrary pattern of patches of the two phases. Furthermore, once coexisting domains of both phases are present on a terrace the balance between the two phases can be shifted by the electric field of the tunneling tip, causing the domain boundaries to move, increasing the area of the favored phase. Given the relative ease of the experiment and the high precision of an STM, this is an ideal model system providing insight into the physics of structural phase transitions on the atomic scale.

Share and cite

Citation style:

Wortmann, Ben: Manipulation von Spitzen und Proben - Feldionenmikroskopie und Rastertunnelmikroskopie. 2018.

Rights

Use and reproduction:

Export