Dynamic Force Microscopy on Ultrathin Alumina - Surface Oxygen Lattice, Domain Boundaries, Adsorption Sites [Elektronische Ressource] / Georg Hermann Simon. Betreuer: Mario Dähne

Dynamic Force Microscopy on Ultrathin Alumina Surface Oxygen Lattice, Domain Boundaries, Adsorption Sites von Herrn Dipl.-Phys. Georg Hermann Simon geboren in Bielefeld Von der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Michael Lehmann 1.Gutachter: Prof. Dr. Hans-Joachim Freund 2.Gutachter: Prof. Dr. Mario Dähne 3.Gutachter: Prof. Dr. Klaus Wandelt Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 07.12.2010 Berlin 2011 D 83 Diese Dissertation wurde in der Zeit von Januar 2007 bis Oktober 2010 in der Ab-teilung Chemische Physik am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft inBerlin unter Anleitung von Prof. Dr. H.-J. Freund angefertigt.Meinen ElternDanksagungFür das Gelingen dieser Arbeit war entscheidend, dass sie in einem etabliertenForschungsumfeld und einer funktionierenden Arbeitsgruppe durchgeführt werdenkonnte. Die Durchführung wäre unmöglich gewesen ohne zahlreiche Mitarbeiter undMitarbeiterinnen, Freundschaften und meine Familie. Bei Ihnen allen möchte ichmich an dieser Stelle sehr herzlich bedanken. Mein besonderer Dank gilt:Prof. Hans-Joachim Freund für die Möglichkeit über eine interessante Auf-gabenstellung Einblicke und praktische Erfahrung im spannenden Feld der Modell-katalyse zu bekommen.
Publié le : samedi 1 janvier 2011
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Dynamic Force Microscopy
on Ultrathin Alumina

Surface Oxygen Lattice, Domain Boundaries, Adsorption Sites



von
Herrn Dipl.-Phys. Georg Hermann Simon
geboren in Bielefeld




Von der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften der
Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
genehmigte Dissertation





Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. Michael Lehmann
1.Gutachter: Prof. Dr. Hans-Joachim Freund
2.Gutachter: Prof. Dr. Mario Dähne
3.Gutachter: Prof. Dr. Klaus Wandelt


Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 07.12.2010


Berlin 2011
D 83 Diese Dissertation wurde in der Zeit von Januar 2007 bis Oktober 2010 in der Ab-
teilung Chemische Physik am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in
Berlin unter Anleitung von Prof. Dr. H.-J. Freund angefertigt.Meinen ElternDanksagung
Für das Gelingen dieser Arbeit war entscheidend, dass sie in einem etablierten
Forschungsumfeld und einer funktionierenden Arbeitsgruppe durchgeführt werden
konnte. Die Durchführung wäre unmöglich gewesen ohne zahlreiche Mitarbeiter und
Mitarbeiterinnen, Freundschaften und meine Familie. Bei Ihnen allen möchte ich
mich an dieser Stelle sehr herzlich bedanken. Mein besonderer Dank gilt:
Prof. Hans-Joachim Freund für die Möglichkeit über eine interessante Auf-
gabenstellung Einblicke und praktische Erfahrung im spannenden Feld der Modell-
katalyse zu bekommen. Außerdem danke ich für die Hilfestellung hinsichtlich wis-
senschaftlicher Fragestellungen, für deren klare Ausrichtung und die hervorragenden
Arbeitsvoraussetzungen und konsequente Organisation in der Abteilung Chemische
Physik am Fritz-Haber-Institut, sowie die Möglichkeit Ergebnisse bundesweit aber
auch international auf Fachkonferenzen zu präsentieren.
Prof. Mario Dähne für die freundliche und interessierte Betreuung meiner Ar-
beit seitens der Technischen Universität Berlin.
Dr. Markus Heyde für intensive freundschaftlich-kollegiale Zusammenarbeit,
tiefgreifenden Diskurs in allen bei der vorliegenden Arbeit angefallenen Fragestellun-
gen und klare, sowie hartnäckige Entwicklung der einzelnen Projekte. Ihm verdanke
ich einen Schatz an Detailwissen aus der Forschungspraxis.
Dr.Hans-PeterRust dessen fachliche Qualifikation, wissenschaftliche Neugier-
de und kreativen Lösungsansätze nur die besten Eindrücke bei mir hinterlassen ha-
ben und der zusammen mit Dr. Heyde eindrucksvoll belegte, dass ein warmherziges
und unterstützendes Arbeitsumfeld sehr vorteilhaft für ambitionierte und hochkarä-
tige Ziele ist und immer mit bestem Beispiel voran ging.
Prof. Joachim Sauer und Dr. Maria Verónica Ganduglia-Pirovano von
der Humboldt Universität zu Berlin für die theoretischen Beiträge zur Studie der
Gold Adsorptionsplätze und eine erfolgreiche und kollegiale Zusammenarbeit.
iDipl.-Ing.GeroThielsch,Dr.ThomasKönig,Dr.VioletaSimic-Milosevic,
Dr. Lars Heinke, Dipl.-Phys. Leonid Lichtenstein und Christin Büchner
aus unserer Tieftemperatur Kraftmikroskopie Arbeitsgruppe für ein freundliches,
engagiertes Arbeitsumfeld, interessante und inspirierende Diskussionen, Einblicke in
andere Probensysteme und Fragestellungen, aber auch unvergessene gesellige Stun-
den nach Feierabend und abgeschlossenen Projekten. Auch danke ich Dr. Marek
Nowicki von der Universität Wrocław, der einige Zeit als Gastwissenschaftler in
unserer Gruppe tätig war, aus dem selben Grund.
Den Mitarbeitern des Elektronik Labors und der Werkstätten und insbesondere
Herrn Klaus-Peter Vogelgesang für seine motivierte und hochwertige Arbeit
mit der er jedes benötigte Bauteil schnell und unkompliziert erstellt.
RhysDowler(MSc),Dr.NicolaScott,Dr.JoséManuelFloresCamacho
und Dr. Dario Stacchiola aus den Arbeitsgruppen Katalyse/Laserspektroskopie,
Grenzflächen-Ramanspektroskopie, der Molekularstrahl-Gruppe sowie der Gruppe
Struktur und Reaktivität für eine angenehme konzentrierte und zweisprachige Ar-
beitsatmosphäre im Büro.
AllenanderenMitgliedernderAbteilungundausanderenAbteilungen
für ein fantastisches Umfeld bei der alltäglichen Arbeit, internen und externen Ta-
gungen, den Sommerfesten, Seminaren und Kursen, sowie für den wissenschaftlichen
Erfahrungsaustausch und lebhafte Diskussionen. Außerdem für die vielen miteinan-
der verbrachten Momente bei Kaffee und Kuchen, oder Bier.
Natürlich meinen Eltern, die von jungen Jahren an vielseitiges Interesse in
mir geweckt und mich jederzeit nach Kräften gefördert und unterstützt haben.Abstract
This thesis presents an atomic resolution dynamic force microscopy study of the
ultrathin ordered aluminium oxide film on (110) oriented surfaces of NiAl, the latter
being an ordered refractory alloy. Work has been carried out in the context of model
catalysis where aluminium oxide/NiAl(110) is used as a model support for nanopar-
ticles. Frequency modulation dynamic force microscopy (FM-DFM) in ultrahigh
vacuum at cryogenic temperatures employing a dual-mode sensor has been used.
The home-built sensor implements FM-DFM and scanning tunnelling microscopy
(STM) into a quartz tuning fork setup with a metal tip. This allows to record both
signals simultaneously but clearly separate from another at the respective position on
the sample. FM-DFM has been found to give an image contrast that reproduces the
complex topography of the oxygen sublattice within the film surface with high accu-
racy. Equipped with this contrast a detailed study of the characteristic line defect
network of the alumina/NiAl(110) including strain relief induced antiphase domain
boundaries, translation related domain boundaries, reflection domain boundaries
and junctions between them could be carried out. Atomic resolution images and
models of the respective surface structures are presented. Three translation domain
boundaries as well as the reflection domain boundaries and the boundary junctions
had not been previously described with respect to their atomic structures. Based
on the acquired FM-DFM data, a comprehensive picture of the boundary network
at the atomic scale has been derived. The aforementioned topographic contrast
together with structural information has finally been taken as prerequisites for an
atomic scale adsorption study conducted with gold atoms on the alumina film. It
is shown that the imaging capabilities of FM-DFM allow the determination of ad-
sorption positions of individual gold ad-atoms on this oxide surface.
iiiZusammenfassung
Diese Arbeit stellt eine Studie mit atomar auflösender Kraftmikroskopie an dem
ultradünnen Aluminiumoxid Film auf (110) orientierten Oberflächen von NiAl vor.
Wobei NiAl eine geordnete, hoch temperaturfeste Legierung ist. Die Arbeit wur-
de im Kontext der Modellkatalyse ausgeführt, wo Aluminiumoxid/NiAl(110) als
Modellunterlage für Nanopartikel genutzt wird. Frequenzmodulierende dynamische
Kraftmikroskopie (FM-DFM) im Ultrahochvakuum und bei tiefen Temperaturen
wurde unter Benutzung eines Zweikanal-Sensors angewandt. Der selbstgebaute Sen-
sor implementiert FM-DFM und Rastertunnelmikroskopie (STM) in einem Quartz-
Stimmgabel-Aufbau mit einer Metallspitze. Dies ermöglicht es beide Signale gleich-
zeitig, aber klar voneinander getrennt, an der jeweiligen Position auf der Probe
aufzuzeichnen. Es stellte sich heraus, dass FM-DFM einen Kontrast erzeugt, der die
komplexe Topografie des Sauerstoffgitters an der Oberfläche mit großer Genauigkeit
wiedergibt. Ausgestattet mit solch einem Kontrast konnte eine detaillierte Studie
des charakteristischen Netzwerks von Liniendefekten des Aluminiumoxid/NiAl(110)
einschließlich spannungs- und translations-bedingter Domänengrenzen sowie Refle-
xionsdomänengrenzen durchgeführt werden. Atomar aufgelöste Bilder und Model-
le der jeweiligen Strukturen werden präsentiert. Drei Translationdomänengrenzen,
sowie die Reflexionsdomänengrenzen und die Domänengrenzenknoten waren zuvor
nicht bezüglich ihrer atomaren Strukturen beschrieben worden. Ausgehend von den
aufgenommenen FM-DFM Daten konnte ein umfassendes Bild des Domänengren-
zennetzwerks auf atomarer Skala abgeleitet werden. Der oben erwähnte topografische
Kontrast ist schließlich zusammen mit der Strukturinformation als Ausgangspunkt
für eine Adsorptionsstudie mit Gold auf dem Aluminiumoxidfilm genommen worden.
Es wird gezeigt, dass die Abbildungsmöglichkeiten von FM-DFM die Bestimmung
von Adsorptionspositionen individueller Goldatome auf dieser Oxidoberfläche erlau-
ben.

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