FU Berlin Digitale Dissertation
Steffen Renisch : On the Diffusion of adsorbed Particles on Single Crystal Surfaces: Dynamical investigations with the Scanning Tunneling Microscope Zur Diffusion adsorbierter Teilchen auf Einkristalloberflaechen: Dynamische Untersuchungen mit dem Rastertunnelmikroskop
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Abstract Subject of the present work is the diffusion of adsorbed particles on single crystal planes, which is investigated by scanning tunneling microscopy (STM) and analyzed quantitatively. By evaluation of the atomic motion of oxygen atoms on Ru(0001) it is demonstated, how the transition from the microscopic to the macroscopic description of diffusion can be realized experimentally. Computer-aided image processing permits the statistical evaluation of long sequences of several thousands of atomic configurations, which were recorded with a fast STM system that allows frame rates of up to 20 frames per second. On the one hand, this enables the measurement of the jump rate of isolated oxygen atoms at room temperature as well as the influence of the mutual O-O interaction on that rate over distances of up to 3 lattice constants; from these data the pair potential can be derived. On the other hand the chemical diffusion coefficients were directly determined at various coverages by analysis of the particle number fluctuations. These are found to be in agreement with the microscopic jump rates under consideration of the mutual O-O interaction. Additionally, variable-temperature measurements on the diffusion of sulfur on Pt(111) with coadsorption of CO are reported. For the diffusion of sulfur an activation energy of 550 meV is found. Coadsorption of CO leaves this activation energy unchanged, however, the prefactor is increased by two orders of magnitude by coadsorption of half a monolayer of CO. Various models for this behavior are discussed.

Table of Contents Download the whole PhDthesis as a zip-tar file or as zip-File For download in PDF format click the chapter title 1 Einleitung ..... 1 2 Grundlagen zur Theorie der Diffusion ..... 5 2.1 Phänomenologische Theorie ..... 5 2.2 Mikroskopische Theorie ..... 7 3 Wechselwirkungen von atomarem Sauerstoff auf Ru(0001) ..... 11 3.1 Einführung ..... 12 3.1.1 Allgemeines ..... 12 3.1.2 Zum System O/Ru(0001) ..... 14 3.2 Experimenteller Aufbau und Datenverarbeitung ..... 16 3.2.1 Experimenteller Aufbau ..... 18 3.2.2 Verarbeitung der Bilddaten ..... 24 Ermittlung der Atompositionen ..... 25 Zuordnung der Atome in aufeinanderfolgenden Bildern ..... 29 3.3 Bewegung isolierter Adsorbatteilchen ..... 31 3.4 Bewegung von Adsorbatteilchen unter dem Einfluß benachbarter Adsorbatteilchen ..... 39 3.4.1 Ein kinetisches Modell für die Bewegung von Teilchenpaaren ..... 39 Bewegung isolierter Teilchen ..... 40 Bewegung zweier nicht wechselwirkender Teilchen ..... 42 Die Bewegung zweier wechselwirkender Teilchen ..... 43 3.4.2 Messungen zur Paarbewegung ..... 45 3.4.3 Diskussion der Daten ..... 47 3.5 Analyse von Ensemble-Bewegungen: Teilchenzahl-Fluktuationen ..... 59 3.5.1 Theoretische Grundlagen der Bestimmung von D über die Teilchenzahlkorrelationsfunktion ..... 59 Die Teilchenzahlkorrelationsfunktion ..... 60 Die Bedeckungsabhängigkeit von D ..... 61 3.5.2 Experimentelle Teilchenzahlkorrelationsfunktionen bei geringen Bedeckungen ..... 64 3.5.3 Der Einfluß diskreter Gitterplätze ..... 67 3.5.4 Der Einfluß der Driftbewegung der Piezokeramiken ..... 71 3.5.5 Experimentelle Teilchenzahlfluktuationen bei höheren Bedeckungen ..... 74 3.5.6 Der ,,thermodynamische Faktor`` ..... 78 3.6 Analyse von Ensemble-Bewegungen: Auswertung der Teilchentrajektorien ..... 81 3.7 Zusammenfassung ..... 85 4 Diffusion von Schwefel auf Pt(111) unter Koadsorption von CO ..... 87 4.1 Einführung ..... 87 4.2 Experimentelles ..... 88 4.2.1 Zum System CO/Pt(111) ..... 88 4.2.2 Zum System S/Pt(111) und zur Koadsorption mit CO ..... 90 4.2.3 Der verwendete experimentelle Aufbau ..... 91 4.2.4 Die Präparation der Probe ..... 92 4.3 Messung der Diffusion von S auf Pt(111) bei Koadsorption von CO ..... 94 4.3.1 Die Abbildung von S und CO auf Pt(111) im STM ..... 94 4.3.2 Die Messungen zur Diffusion ..... 101 4.4 Diskussion der Ergebnisse der Diffusionsmessungen ..... 106 4.4.1 Zur Theorie des Übergangszustandes ..... 107 4.4.2 Diskussion der experimentellen Daten ..... 109 Die Beiträge der einzelnen Freiheitsgrade zur Zustandssumme ..... 110 4.4.3 Vergleich mit dem System O/W(110) ..... 113 4.4.4 Diskussion im Hinblick auf den Kompensationseffekt ..... 114 4.4.5 Physikalische Modelle ..... 117 4.5 Experimente zum Mischungsverhalten des Koadsorbatsystems S/CO/Pt(111) ..... 120 4.5.1 Das Mischungsverhalten des Systems N/O/Ru(0001) ..... 120 4.5.2 Motivation für die weiteren Experimente ..... 124 4.5.3 Experimente zum Phasenverhalten des Systems S/CO/Pt(111) ..... 125 4.6 Zusammenfassung ..... 131 5 Zusammenfassung ..... 133 Anhang ..... 137 A Zur Beschreibung der stochastischen Bewegung von Adsorbatteilchen im Formalismus der Master--Gleichungen ..... 137 A.1 Die Weitenverteilungsfunktion für einen ,,Random Walk`` auf einem hexagonalen Gitter ..... 137 A.2 Die Wahrscheinlichkeitsverteilung für den Fall des isolierten Teilchens bei Annahme von Einzelsprüngen ..... 141 A.3 Die Master--Gleichung für die Bewegung zweier nicht wechselwirkender Teilchen ..... 142 A.4 Die Master--Gleichung für die Paar-Relativbewegung ..... 143 A.5 Die mittlere Aufenthaltsdauer auf einem Adsorptionsplatz im Modell der Master-Gleichungen ..... 145 A.6 Die Sprungraten bei Sprüngen über einen Zwischenplatz ..... 146 B Verwendete Abkürzungen und Symbole ..... 149

More Information:
Online available:	http://www.diss.fu-berlin.de/1999/52/indexe.html
Language of PhDThesis:	german
Keywords:	diffusion adsobate interaction jump frequency residence time
DNB-Sachgruppe:	30 Chemie
Classification PACS:	68.35.Fx, 82.65.Dp
Date of disputation:	12-Jul-99
PhDThesis from:	Department Biologie, Chemie, Pharmazie, Freie Universität Berlin
First Referee:	Prof. G. Ertl
Second Referee:	Prof. J. Manz
Contact (Author):	renisch@fhi-berlin.mpg.de
Contact (Advisor):	schuster_r@fhi-berlin.mpg.de
Date created:	24-Aug-99
Date available:	31-Aug-99

 

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