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Titel:Konventionelle Puls-NMR an 129Xe auf Einkristalloberflächen
Autor:Gerhard, Peter
Weitere Beteiligte: Jänsch, Heinz (Prof.)
Erscheinungsjahr:2004
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0085
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-00853
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0085
DDC: Physik
Titel(trans.):Conventional pulse NMR of 129Xe on single crystal surfaces

Dokument

Schlagwörter:
Einkristall, Iridium, iridium, nmr, NMR-Spektroskopie, Dynamische Kernpolarisation / Optisches Pumpen, Ethen, CO, Ethylidin, Oberflächenphysik, Xenon-129, optical pumping, single crystal surface, xenon, Thermische Desorp

Zusammenfassung:
In dieser Arbeit wurde mit konventioneller Puls-NMR die chemische Verschiebung von kernspinpolarisiertem 129Xe auf verschiedenen Präparationen der (111)-Oberfläche eines Iridium-Einkristalls untersucht. Das Experiment war als Nachweis der prinzipiellen Machbarkeit (proof of principle) von NMR an Adsorbaten auf Einkristalloberflächen angelegt. Die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) ist eine der erfolgreichsten physikalischen Methoden. Seit Anfang der 1980er Jahre wird Xenon für die Untersuchung von Oberflächen verwendet. Die geringe Empfindlichkeit der NMR schränkte bislang ihre Verwendung auf Proben mit großer Oberfläche (z. B. Partikel) ein. Durch die Verwendung von kernspinpolarisiertem Xenon konnten auf diesem Gebiet große Fortschritte erzielt werden. Die Übertragung dieser Technik auf Einkristalloberflächen erlaubt eine detaillierte Kontrolle des untersuchten Systems. Damit verbunden ist eine um mehrere Größenordnungen kleinere Zahl von Adsorptionsplätzen. In den vergangenen Jahren wurden die Voraussetzungen für die erfolgreiche Durchführung konventioneller Puls-NMR auf Einkristallen unter UHV-Bedingungen mit höchst polarisiertem Xenon geschaffen. In dieser Arbeit ist es erstmals gelungen, das NMR-Signal einer atomaren Lage 129Xe adsorbiert auf der Oberfläche eines Ir-Einkristalls zu detektieren. Der Einfluss unterschiedlicher Präparationen des Substrats auf die chemische Verschiebung sigma konnte nachgewiesen werden. Für Xe/CO/Ir(111) und Xe/CH3C/Ir(111) liegen sie bei sigma=153 ppm bzw. sigma=193 ppm. Für Xe/Ir(111) wurde die chemische Verschiebung zu sigma=853 ppm bestimmt. Dieser Wert liegt weit außerhalb dessen, was man für physisorbiertes Xenon erwartet. Auf CO wurde eine Temperaturabhängigkeit der chemischen Verschiebung von -3,3 ppm/K gemessen. Das System weist im Vergleich zu Partikeln einen hohen Ordnungsgrad auf und macht es damit möglich die Anisotropie der chemischen Verschiebung gezielt zu untersuchen. Für Xe/CO/Ir(111) erhält man sigma_iso=165 ppm und Delta sigma=43 ppm. Für Xenon auf der metallischen Oberfläche sind die gemessenen Werte sigma_iso=1032 ppm und Delta sigma=437 ppm überraschend groß. Die Analyse der winkel- und temperaturabhängigen Daten mit Hilfe eines Modells für die chemische Verschiebung erlaubt es Aussagen sowohl über die Wechselwirkung mit dem Substrat als auch über die Bedeckungsverhältnisse zu treffen. Das Ergebnis deutet auf das bekannte Inselwachstum von Xenon hin. Mit Hilfe der NMR ist die Untersuchung der Adsorptions-Desorptions-Dynamik möglich, obwohl das System sich im Gleichgewicht befindet. Das überraschende Verhalten der Verweilzeit kann unter Annahme einer Hypothese durch ein einfaches Modell erklärt werden. Außerdem werden Experimente an hoch polarisierten Xenonfilmen präsentiert. Dabei wurden sowohl polarisationsinduzierte Effekte als auch der Einfluss der Magnetisierung des Films selbst und des Substrats untersucht. Polarisationen bis zu P_z=0,8 konnten nachgewiesen werden.

Summary:
In this work conventional pulse NMR was used to study the chemical shift of nuclear polarized 129Xe on different preparations of the (111)-surface of an iridium single crystal. This experiment was planned as proof of principal for NMR of adsorbates on single crystal surfaces. Nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) is one of the most successful physical methods. Since the early 1980s xenon has been used in the study of surfaces. The low sensitivity of NMR has restricted its use so far to large area surfaces like clusters or zeolithes. The use of nuclear polarized xenon enhanced the development of this field greatly. Applying this technique to single crystal surfaces allows a more detailed control of the system studied. Associated with this is a reduction in number of the adsorption sites available by several orders of magnitude. In recent years, the prerequisites were established for conventional pulse NMR on single crystals under UHV conditions to be carried out successfully along with the use of highly polarized xenon. For the first time the NMR signal of an atomic layer of 129Xe adsorbed onto the surface of an iridium single crystal was observed in this work. The effect of different preparations of the substrate on the chemical shift sigma was demonstrated. For Xe/CO/Ir(111) and Xe/CH3C/Ir(111) sigma=153 ppm and sigma=193 ppm, respectively. For Xe/Ir(111) the chemical shift is sigma=853 ppm. This is far beyond what is to be expected for physisorbed Xe. On CO a temperature dependence of the chemical shift of -3.3 ppm/K was measured. In contrast to particles, this system is highly ordered and therefore allows to study the anisotropy of the chemical shift. For Xe/CO/Ir(111) one obtains sigma_iso=165 ppm and delta sigma=43 ppm. The corresponding values for Xe on the metallic surface (sigma_iso=1032 ppm and delta sigma=437 ppm) are surprisingly large. Within a model for the chemical shift, the analysis of the angle and temperature dependent data leads to conclusions about the interaction with the substrate as well as the coverage. The results point at the growth of islands already known from Xe. Investigations of the adsorption desorption dynamics are also possible with NMR even though the system is in equilibrium. Assuming a hypothesis, the astonishing behavior of the residence time can be explained by a simple model. Besides, experiments on highly polarized xenon films are presented. Polarization induced effects as well as the influence of the magnetization of the film itself and the substrate were studied. Polarizations up to P_z=0.8 could be proven.


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