Low-temperature scanning tunneling microscopy

Abstract

Die heterogene Katalyse spielt in der industriellen chemischen Synthese sowie in umwelttechnischen Prozessen eine herausragende Rolle. Viele Katalysatoren zeichnen sich durch eine hohe strukturelle Komplexität aus, welche ein detailliertes Verständnis von entscheidenden Parametern sowie zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen meist verhindert. Daher ist die Untersuchung von geeigneten Modellsystemen unerlässlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dünner, kristalliner Aluminiumoxid-Film auf NiAl(110) mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS) bei 5K untersucht. Dieser Film konnte bereits in zahlreichen Studien als Modell für Alumi-niumoxid-Trägermaterialien etabliert werden, obwohl seine atomare Struktur nicht bekannt war. Hier wurden nun atomar aufgelöste STM-Bilder des Films aufgenommen, die sich später verschiedenen Lagen des Films zugeordnen ließen. Ferner konnten Antiphasendomänengrenzen (APDB), d.h. regelmäßig auftretende Liniendefekte des Oxidfilms, mit STM und STS charakterisiert werden. Es gelang somit, deren elektronische und geometrische Struktur zu korrelieren. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Adsorptionsverhalten des Aluminiumoxid-Films gegenüber einzelnen Au-Atomen untersucht. Nach der Präparartion waren Au-Monomere, Dimere und kleine Cluster auf der Oberfläche vorhanden, die mit STM und STS untersucht wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass das NiAl(110)-Substrat an der Bindung von Au-Atomen auf dem Oxid-Film beteiligt ist, und dass dünne Filme offenbar ein anderes Adsorptionsverhalten aufweisen können als die entsprechenden Bulk-Oxide. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von Metall-Clustern (Ag, Pd) auf dem Aluminiumoxid-Film in Abhängigkeit von ihrer Größe untersucht. Leitfähigkeits-Spektren zeigen eine charakteristische Signatur, die am besten mit einer Coulomb-Blockade erklärt werden kann. Somit reflektieren die Spektren eher Eigenschaften des Tunnelkontakts als intrinsische Cluster-Eigenschaften.

Heterogeneous catalysis plays an important role in industrial synthesis and in environmental chemistry. Due the difficulties related with the investigation of working catalysts, the study of well-defined model systems is very important to gain a fundamental understanding of the principles and reaction mechanisms. Within the scope of this work, a well-ordered, thin alumina film on NiAl(110) has been investigated by scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at 5K. This film was established as model for bulk alumina supports in previous studies, though its exact structure remained unknown. Here, atomically resolved STM images of the film have been obtained, which could later be assigned to distinct atomic layers. Furthermore, anitiphase domain boundaries (APDB), regularly appearing line defects in the oxide film, were characterized by STM and STS. These studies provide a detailed understanding of how their geometric and electronic structure are related. The second part of this thesis addressed the adsorption behavior of the alumina film toward single Au atoms. The sample preparation yielded Au monomers, dimers and small clusters on the surface, which were investigated with STM and STS. Accordingly, the NiAl(110) substrate participates in the binding of Au atoms, demonstrating that adsorption properties of thin oxide films can deviate significantly from bulk oxides, whereby the metal adatom seems to play an important role. The third part of this work presents size-dependent STM/STS studies on metal clusters (Ag, Pd) deposited onto alumina/NiAl(110). Conductance spectra reveal a distinct signature, which can be explained by a Coulomb blockade effect. Another interpretation based on quantized electronic levels, is also discussed, but cannot account for all experimental findings. Thus, the spectroscopic data reflect most likely no intrinsic properties of the metal clusters but are due to the specific behavior of a double-barrier tunneling junction.