Electronically Induced Diffusion of Oxygen on Pt(111)

Die laserinduzierte Diffusion von atomarem Sauerstoff auf einer gestuften Pt(111) Oberfläche wurde untersucht, wobei ultrakurze Laserimpulse mit Photonenenergien im nahen Infrarot eingesetzt wurden. Die Arbeit stellt die erste zeitaufgelöste Untersuchung eines Diffusionsprozesses an einer Einkristal...

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Main Author: Stépán, Krisztina
Contributors: Höfer, Ulrich (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2006
Physik
Subjects:
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Description
Summary:Die laserinduzierte Diffusion von atomarem Sauerstoff auf einer gestuften Pt(111) Oberfläche wurde untersucht, wobei ultrakurze Laserimpulse mit Photonenenergien im nahen Infrarot eingesetzt wurden. Die Arbeit stellt die erste zeitaufgelöste Untersuchung eines Diffusionsprozesses an einer Einkristalloberfläche dar. Sie demonstriert darüberhinaus die Möglichkeit, die Diffusion eines stark chemisorbierten Adsorbats auf einer Metalloberfläche bei tiefen Temperaturen durch elektronische Anregung auszulösen. Für das Experiment wurde die Selektivität der dissoziativen Adsorption von molekularem Sauerstoff für die Stufen der Pt(111) Oberfläche ausgenutzt, um zunächst eine Nichtgleichgewichtsverteilung des Adsorbates zu erzeugen. Die Bedeckung der Stufenkanten mit chemisorbiertem Sauerstoff wurde während der Adsorption und der laserinduzierten Diffusion in-situ mit Hilfe der optischen Frequenzverdopplung (SHG) an Oberflächen verfolgt. Dabei wurde ausgenutzt, dass die Erzeugung der zweiten Harmonischen in Dipolnäherung einen Symmetriebruch erfordert, wie er durch die regelmäßigen Stufen entsteht. Die hohe Empfindlichkeit dieser Detektionsmethode machte es möglich, Hüpfraten für die Bewegung von den Stufenkanten auf die anfangs leeren Terrassenplätze bis herunter zu 10^-7 pro Laserimpuls zu messen. Zur Durchführung dieser optischen Experimente sowie zur Präparation und Charakterisierung der Platinoberfläche wurde eine Ultrahochvakuumapparatur aufgebaut. Um Aufschluss über die Dynamik des Energietransfers von der optischen Anregung in die frustrierte Translationen des Adsorbats zu gewinnen, wurde die Diffusionsrate als Funktion der eingestrahlten Laserleistung und, in einem Korrelationsexperiment, als Funktion der Verzögerung zwischen zwei Pump-Impulsen gemessen. Die Experimente zeigen eine sehr stark nichtlineare Abhängigkeit der Diffusionsrate von der Energiedichte der Laserimpulse (~F^15) sowie eine schnelle elektronische Kopplung zwischen der anfänglichen Anregung und der Adsorbatbewegung mit einer Zeitkonstanten von 1.5 ps. Beide Ergebnisse legen es nahe, dass der prinzipielle Anregungsmechanismus der gleiche ist wie im Fall der bereits intensiv untersuchten, laserinduzierten Desorption: Die kurzen, intensiven Laserimpulse erzeugen eine heiße Elektronenverteilung an der Oberfläche, ohne dass das Substratgitter zunächst nen nenswert aufgeheizt wird. Die heißen Elektronen regen auf der Zeitskala von 1.5 ps mehrfach die Adsorbat-Substratbindung und damit eine Adsorbatbewegung an. Die extrem nichtlineare Abhängigkeit der Hüpfrate von der Energiedichte der Laserimpulse deutet aber darauf hin, dass der Energietransfermechanismus hier komplizierter ist, als im Fall der Desorption. Bei der quantitativen Beschreibung im Rahmen eines elektronischen Reibungsmodells für die nichtadiabatische Kopplung der Adsorbatbewegung an das Elektronensystem des Substrats wird die Einführung eines temperaturabhängigen elektronischen Reibungskoeffizienten notwendig. Als Erklärung wird vorgeschlagen, dass die frustrierten Translationen, die schließlich zur Diffusion führen, hauptsächlich indirekt angeregt werden. Durch die elektronische Reibung werden zunächst primär O-Pt-Streckschwingungen angeregt und diese koppeln dann anharmonisch an die frustrierten O-Pt-Translationen. In diesem Modell entsteht die scheinbare Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Elektronentemperatur bzw. der Anregungsdichte durch die Zunahme der anharmonische Kopplung mit der Besetzung höherer Schwingungsniveaus.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2006.0101