Surface structure determination of group 11 metals adsorbed on a rhenium(10-10) surface by low-energy electron diffraction

Abstract

This thesis deals with the computational surface determination of various long-range ordered phases formed by thin films of copper, silver, and gold adsorbed on the rhenium(10-10) surface. It is based upon LEED-I,V curves for these phases that were recorded in the course of detailed experimental investigations of the respective films carried out in our group (using techniques such as LEED, MEED, and TPD). In order to solve the intricate puzzle of surface structural analysis, the electron elastic scattering behaviour of the investigated coinage metal phases was calculated using the Erlangen TensErLEED program package. Thereby first a set of theoretical LEED-I,V curves is derived for a guessed reference structure. Subsequently its structural input parameters are varied in a trial-and-error procedure until optimal agreement between experiment and theory is attained. The (1x1) phases formed by the deposited metals were tackled first to establish an absolute coverage calibration and to elucidate the respective growth modes on the Re(10-10) surface. In all three cases the (1x1) structure is developed best at a coverage Ɵ(Cu,Ag,Au) = 2ML = 1BL. Extension of the investigation to experimental I,V curves for higher Cu coverages revealed that this element continues to grow bilayerwise, thereby retaining the Re hcp morphology. Ag, in contrast to Cu and Au, happens not to grow as homogeneously, and the TPD data suggest that Ag films exhibit the so-called simultaneous-multilayer (SM) growth mode. The following analysis of the sub-bilayer coverage range shows that the three systems exhibit considerable differences. While Cu, having a negative lattice misfit compared to Re, shows no long-range ordered superstructures, Ag and Au with a similar positive misfit form a couple of such phases. Ag features both a (1x4) phase, stable at ambient temperatures, that upon heating transforms into a c(2x2) phase that only exists at elevated temperatures. The structure corresponding to the Ag(1x4) phase could not be unambiguously resolved. The TensErLEED computations rigorously performed for the two most plausible structures with global coverages, Ɵ(1x4) = 1.25ML and 1.75ML, did not significantly differ in the Pendry R-factor. Yet, the determination of the c(2x2) phase, occurring at a temperature of 700K, was more successful: The best coincidence between theory and experiment was found for an elongated filled honeycomb-like structure. This structure has the additional advantage that it requires relatively little atomic rearrangement for the transformation into the low-temperature (1x4) phase. The local coverage Ɵ(c(2x2)) = 1.5ML of the c(2x2) structure defines the global coverage limits within which the reversible phase transition c(2x2) <-> (1x4) takes place. From this, we could deduce that the (1x4) phase consists of a combination of domains with the two possible structures, consistent with previous STM observations. A third scenario is provided by Au. In the experiments, with increasing coverage a series of (1xn) LEED superstructures with n = {3;4;5;6} is observed independent of the temperature. The series ends with the aforementioned (1x1) phase at the bilayer coverage. The Au(1xn) structure sequence could be elucidated fully by a thorough analysis of just the (1x3) phase. This structure consists of a pseudomorphous Au bilayer in which every third row of the topmost layer is replaced by a missing-row. The higher (1xn) structures are then formed by omitting every n-th row. In this way, the system is able to compensate the elastic strain caused by the lattice misfit between Au and Re. All in all, the structural analyses carried out in the present thesis work have successfully provided answers to various open questions that arose from previous work performed in our group on the adsorption and growth of Cu, Ag, and Au films on Re and Ru surfaces alike.

Die hier vorgelegte Doktorarbeit beschäftigt sich in der Hauptsache mit der quantitativen Strukturbestimmung von ferngeordneten Kupfer-, Silber- und Goldfilmen, die während der Adsorption dieser Metalle auf einer Rhenium(10-10)-Oberfläche gebildet werden. Im Zuge der experimentellen Arbeiten an diesen Systemen innerhalb unserer Arbeitsgruppe (hauptsächlich mittels LEED, MEED und TPD) wurden auch sogenannte LEED-I,V-Kurven aufgezeichnet, welche die Oberflächenstrukturinformation beinhalten. Um aus der Menge der möglichen Oberflächenstrukturen die tatsächlichen herauszufinden, wurde im Rahmen dynamischer Elektronenstreurechnungen das Streuverhalten der untersuchten Phasen mit Hilfe des Erlangener TensErLEED- Programmpaketes berechnet. Jede anfängliche Referenzstrukturannahme führt dabei zu einem Satz von charakteristischen LEED-I,V-Kurven. Daraufhin werden durch eine Suchroutine die Struktureingangsparameter so lange systematisch variiert, bis die bestmögliche Übereinstimmung zwischen experimentellen und berechneten LEED-I,V-Kurven erreicht ist. Zunächst wurden in dieser Weise die (1x1)-Phasen aller drei Metalle behandelt. Dies ermöglichte es, einerseits eine Kalibrierung der quantitativen Oberflächenbedeckungsgrade und anderseits Informationen über die Art des Filmwachstums zu erhalten. In allen drei Fällen sind die (1x1)-Phasen dann am besten ausgebildet, wenn eine Bedeckung Ɵ(Cu,Ag,Au) = 2ML = 1BL (Monolagen, Bilage) erreicht ist. Die genaue Analyse von I,V-Daten bei höheren Bedeckungsgraden zeigt, daß Cu weiter in Bilagen aufwächst und dabei zunächst die Re-hcp-Struktur beibehält. Im Gegensatz zu Cu und Au wachsen Ag-Filme deutlich weniger homogen auf, sondern unterliegen dem sogenannten simultanen Multilagenwachstum. Im Bereich unterhalb der geschlossenen ersten Bilage weisen die drei betrachteten Metallfilme erhebliche strukturelle Unterschiede auf. Das im Vergleich mit Re kleinere Cu bildet keinerlei Überstrukturphasen. Dagegen beobachtet man beim größeren Ag zwei geordnete LEED-Strukturen, eine (1x4)- und – bei höheren Temperaturen – eine c(2x2)-Phase, die beim Heizen aus der (1x4)-Struktur entsteht. Die Ag-(1x4)-Phase läßt sich nicht eindeutig durch eine einzelne Struktur erklären. Die TensErLEED-Rechnungen für die beiden plausibelsten Oberflächenstrukturen, mit den globalen Bedeckungsgraden von Ɵ(1x4) = 1.25ML bzw. 1.75ML, unterschieden sich im Hinblick auf den Pendry-R-Faktor – ein Maß für die Güte der Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie – nicht signifikant. Eindeutig war hingegen die Strukturbestimmung der c(2x2)-Phase, die bei 700K auftritt. Es wurde eine dem Re-Substrat gemäß in einer Richtung gestauchte, gefüllte Honigwaben-Atomanordnung gefunden. Der Vorteil dieser Struktur ist, daß verhältnismäßig wenige Diffusionsschritte erforderlich sind, um daraus eine der beiden möglichen (1x4)-Phasen zu bilden und umgekehrt. Der lokale Bedeckungsgrad der c(2x2)-Phase von Ɵ(c(2x2)) = 1.5ML definiert gleichzeitig den Bereich der globalen Bedeckungsgrade, innerhalb dessen der reversible Phasenübergang c(2x2) <-> (1x4) auftritt. Daraus ergibt sich, daß die (1x4)-Phase eine Kombination von Domänen mit den zwei möglichen Strukturen ist. Dies ist in Übereinstimmung mit vorhergehenden STM-Untersuchungen. Ein drittes Szenario zeigen die Au-Filme, die – unabhängig von der Temperatur – im Subbilagenbereich mit steigender Bedeckung eine Reihe von (1xn)-Strukturen mit n = 3, 4, 5, und 6 bilden. Sobald die Bilage geschlossen ist, findet man dann die bereits erwähnte pseudomorphe (1x1)-Phase. Mit Hilfe der hier durchgeführten LEED-Rechnungen konnte die Struktursequenz der (1xn)-Phasen insoweit aufgeklärt werden, als das Bauprinzip der zuerst auftretenden (1x3)-Phase berechnet und dann auf die (1x4)-, (1x5)- und (1x6)-Phasen übertragen wurde. Die (1xn)-Strukturen sind so aufgebaut, daß ausgehend von der Bilage jede n-te Reihe in der oberen Atomlage ausgelassen wird. Auf diese Weise können elastische Spannungen, die eine Folge der positiven Gitterfehlanpassung des Au sind, ausgeglichen werden. Insgesamt haben die Strukturanalysen der hier vorgelegten Arbeit erfolgreich zur Beantwortung einer Reihe von offenen Fragen im Zusammenhang mit der Adsorption und dem Wachstum von Cu-, Ag- und Au-Filmen auf der Re(10-10)-Oberfläche beigetragen.