Xe-129 NMR Study on Xenon Monolayers and Thin Films Adsorbed on Single Crystal Metals and Carbonaceous Ad-Layers

Der wesentliche Kern dieser Arbeit ist die Untersuchung von Xenonmonolagen, die auf definierten Oberflächen von einkristallinen Metallen und kohlenstoffhaltigen Deckschichten adsorbiert sind mit Methoden der Nuclear Magnetic Resonace (NMR). 129Xe wird verwendet als Sondenkern wegen seiner vielen hervorragenden Eigenschaften. Vor allem kann 129Xe mit Leichtigkeit weit über das thermische Gleichgewicht polarisiert werden, was auch Hyperpolarsieren genannt wird. Der Anstieg der Polarisation ist verknüpft mit einer Erhöhung der NMR-Signalstärke von bis zu fünf Größenordnungen. Nur auf diesem Weg kann das Signal einer Monolage, welche nicht mehr als 1015 Atome beinhaltet, die Detektionsschwelle von gebräuchlichen NMR-Spektrometern, die dem Signal von etwa e20 Atomkernen in einem Festkörper entspricht, überwinden. Des Weiteren ist Xenon ein schweres Edelgas, das auf Substraten bei Temperaturen um 80 K adsorbiert, ohne chemische Reaktionen auszulösen. Trotzdem wird die elektronische Umgebung der 129Xe gestört, was eine sensible Änderung des Magnetfeldes am Ort des Kerns verursacht. Besonders in der unmittelbaren Nähe von Metallen ist der Effekt so stark, dass das NMR-Signal, auch Spektrallinie genannt, in seiner Frequenz verschoben wird bis zu einer Größenordnung von 1000 parts per million (ppm). Daher ist die Xenon-NMR nicht nur eine nichtinvasive chemische Analysemethode, sondern auch eine lokale Sonde. Xenon NMR wird durchgeführt an einer Xe-Monolage in Kontakt mit einem Kupfereinkristall mit einer Oberfläche, die in die [100] Richtung orientiert ist. Zwei unterscheidbare und starke Signale sind gefunden worden. Diese Linien sind um 687 ppm bzw. um 772 ppm bezüglich der Xenongaslinie verschoben. Damit überschreiten beide Verschiebungen klar den typischen Physisorptionsbereich, was bedeutet, dass das 129 Xe in Kontakt mit den Metallelektronen steht. Der Abstand zwischen den beiden Linien ist erklärbar durch den Aufenthalt der Xenonatome an zwei verschiedenartigen Adsorbtionsplätzen. Desweiteren ist auch die Linie der zweiten Lage, die eine nichtmetallische Verschiebung um 235 ppm zeigt, in den Spektren sichtbar gemacht worden. Ein weiteres NMR-Experiment wird durchgeführt an einer Xenonmonolage adsorbiert auf einer CO-Pufferschicht, die auf Cu(100) abgeschieden worden ist. Eine NMR-Linie zeigt sich bei 163 ppm. 129Xe wird auch auf Graphen, das auf einer Ir(111) Oberfläche erzeugt wurde, sondiert. Hier kann die Anwesenheit von Metallelektronen nicht festgestellt werden anhand einer außergewöhnliche NMR-Linienverschiebung. Insbesondere ist die Verschiebung des 129 Xe-Signals in der Monolage auf Graphen mit 173 ppm bestimmt worden. Zum Vergleich werden Xenonfilmoberflächenlagen mit NMR analysiert während ihres Wachstums bei Substrattemperaturen unter 50 K. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die temporäre Konfiguration der Xenonatome auf der Filmoberfläche and die entsprechenden Linienverschiebungen. Zwei bis dahin unbekannte Signale werden gefunden bei 160 ppm und 240 ppm. Im Übrigen sind auch die Signale des Festkörpers bei 320 ppm und der gleichmäßigen Oberfläche bei 200 ppm sichtbar in den Spektren. Außerdem wird ein Ordnungsphänomen innerhalb eines Xenonfilms gezeigt anhand der 129Xe-NMR-Linienbreite. Durch starke Verdünnung des 129 Xe mit 132 Xe werden alle anderen Auswirkungen des Festkröpers auf die Linienbreite ausreichend vermindert, um die durch Hitze induzierte Strukturänderung aufzuzeigen. Die niedrigste gemessene Temperatur ist 25 K. Von dieser Temperatur ab bis 45 K ist die Veränderung zu beobachten.