Rastertunnelmikroskopie an mobilen Einkristalloberflächen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden die fcc(110)-Oberflächen von Silber, Gold und Iridium, sowie die (001)-Oberfläche von Silicium mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) bei verschiedenen Probentemperaturen untersucht.

Für Ag(110) wird selbst unter mildesten Abbildungsbedingungen ein Einfluss der STM-Spitze auf die Eigendiffusion beobachtet. Entlang der schweren Diffusionsrichtung können die Atome von der Spitze auf dem energetisch günstigen Weg eines Atom-Austausches um eine oder wenige Gitterkonstanten mitbewegt werden. Die dabei auftretende metastabile Hantelstruktur wurde hier anhand ihres charakteristischen Scan-Profils erstmals mit dem STM beobachtet. Entlang der leichten Diffusionsrichtung können ebenfalls Atome aus der Stufenkante mitgezogen werden, die dann der Spitze einige Nanometer weit folgen, wobei sich auch hier durch zwischenzeitliches Losreißen und Wiedereinfangen der Atome charakteristische Scan-Profile ergeben. Die Diffusion der Atome wird durch die attraktive Wechselwirkung mit der Spitze um Größenordnungen herabgesetzt.

Für die (1×2)-Missing-Row rekonstruierte Au(110) konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass [1-10]-orientierte Stufenkanten auch unter dem Einfluss einer scannenden STM-Spitze selbst bei Temperaturen von 500 K stabil sind. Die oberhalb dieser Temperatur mit dem STM zu beobachtenden fjordartigen Strukturen wurden eingehender untersucht. Eine Entscheidung der Diskussion, ob es sich dabei um eine reale Struktur oder aber ein Mess-Artefakt auf Grund von Kinkdiffusion handelt, konnte zwar nicht eindeutig getroffen werden, die Beobachtungen sprechen aber dennoch eher gegen ein Artefakt.

Die Ir(110)-Oberfläche wurde im Temperaturbereich von 300 K bis 890 K untersucht und die Resultate mit den teilweise widersprüchlichen Literatur- Angaben verglichen. Bei Raumtemperatur weist die Oberfläche {331}-Facetten auf. Mit zunehmender Temperatur (520 K) wird sie flacher und geht zunächst in eine (1×3)/(1×1)-Struktur über. Zusätzlich können Quantenpunktstrukturen beobachtet werden. Bei noch höheren Temperaturen (890 K) erhält man schließlich eine (1×2)-Missing-Row-Struktur, was auch durch LEED-Beobachtung bestätigt wird. Als treibende Kraft für die Ausbildung der verschiedenen Strukturen wird eine temperaturabhängige Zugverspannung vorgeschlagen.

Für Si(001)-(2×1) wurden verschiedene aus der Literatur bekannte nass- chemische Präparationsverfahren (Ishizaka-Shiraki-Verfahren, SPM-Verfahren) miteinander und mit dem bei wissenschaftlichen Untersuchungen etablierten Standardverfahren verglichen und mit dem STM erstmals im Ultrahochvakuum charakterisiert. Es zeigt sich, dass die nass-chemischen Verfahren zwar niedrige Präparationstemperaturen erlauben, die Konzentration von intrinsischen Defekten, insbesondere Dimer-Leerstellen, jedoch deutlich höher ist als beim Standardverfahren.

In the present thesis the fcc(110) surfaces of silver, gold and iridium as well as the (001) surface of silicon were investigated by scanning tunneling microscopy (STM) at different sample temperatures.

For Ag(110), self diffusion is strongly influenced by the scanning tip even under mildest imaging conditions. Along the hard diffusion direction, atoms may follow the tip a few lattice distances via an energetically favourable atom exchange mechanism. The emerging metastable dumbbell structure - exhibiting a characteristic scan profile - has been imaged with the STM for the first time. Along the easy diffusion direction, atoms may be pulled out of step edges and follow the tip for several nanometres with a characteristic sequence of detachment and reattachment. Thus, diffusion is suppressed by the tip influence by orders of magnitude.

For (1×2) missing row reconstructed Au(110) it is shown that [1-10] oriented step edges are stable under the influence of the scanning tip even at temperatures as high as 500 K. The fjordlike structures observed previously at higher temperatures has been investigated. An unequivocal decision whether this structure is real or just an artefact due to kink diffusion is not yet possible. Nevertheless, observations seem to contradict an artefact interpretation.

Ir(110) is investigated in the temperature range from 300 K to 890 K. The results are compared with the apparently inconsistent literature data. At 300 K the surface shows {331} facets. With increasing temperature (520 K) it flattens, resulting in a (1×3)/(1×1) structure. In addition, quantum dot structures are observed. STM and LEED reveal at still higher temperatures (890 K) a flat surface with (1×2) missing row structure. Temperature dependent surface stress is suggested as the driving force.

Different low temperature methods for Si(001)-(2×1) sample preparation (Ishizaka-Shiraki-Method and SPM) are characterized for the first time with the STM under ultra high vacuum conditions. Compared with surfaces prepared by a high temperature "standard procedure" typically used in scientific investigations, the resulting surfaces at low temperatures show a sufficiently higher defect concentration, particularly dimer vacancies.