Non-adiabatic effects in the oxidation of alkali metals

Duisburg, Essen (2011), 205 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik » Experimentalphysik
Nienhaus, Hermann (Doktorvater, Betreuerin)
Schleberger, Marika (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2010
Abstract:
In dieser Arbeit werden nicht-adiabatische Effekte bei der Oxidation von Alkalimetalloberflächen untersucht. Hierzu wurden Dünnschicht-Schottkydioden auf der Basis von Siliziumsubstrat hergestellt. Die so hergestellten Dioden dienten als Detektoren zur Messung von durch niederenergetische Elektron-Loch-Paar-Anregungen induzierte Chemoströme. Das Chemostromkonzept wurde mit einem Aufbau zur Detektion von hochangeregten Exoelektronen, die im Verlauf der Reaktion freigesetzt werden, erweitert. Im Gegensatz zu vorhergehenden Studien wurde festgestellt, dass die Chemoströme keiner einfachen Proportionalität zur Reaktionsrate folgen. Bedeckungsabhängige Chemostrom- und Exoemissionseffizienzen müssen angenommen werden um die zeitliche Entwicklung des Chemostroms und der Exoemission korrekt wiederzugeben. Die Experimente wurden größtenteils an mit flüssigem Stickstoff gekühlten Proben bei einer Temperatur von 120K vorgenommen. Durch unabhängige Photoemissionsexperimente wurde die Reaktionskinetik der Oxidation von Alkalimetallfilmen bei tiefen Temperaturen in einer Sauerstoffatmosph¨are bei niedrigem Druck bestimmt. Die Struktur der O 1s Photoemissionsline diente dazu die chemische Zusammensetzung der Oxidfilme zu bestimmen. Auf Lithiumund Natriumfilmen adsorbieren beträchtliche Anteile des angebotenen Sauerstoff dissoziativ. Bei den anderen Akalkimetallen wurde vorwiegend molekulare Adsorption als Peroxid und Superoxid gefunden. Auf unbedeckten Kaliumoberflächen wurde eine direkte Adsorption von Peroxidionen beobachtet. Bei höheren Bedeckungen wird die Reaktion durch die Diffusion von Kaliumatomen durch den Oxidfilm dominiert und durch Superoxidadsorption bestimmt. Valenzbandspektroskopie (UPS) untermauert die Interpretation der vorgestellten chemischen Verschiebung der O 1s Linie, die durch XPS-Messungen bestimmt wurde. Die Chemostrom und Exoemissionsdaten zeigen, dass die nicht-adiabatischen Effekte nicht auf die Dissoziation von Sauerstoffmolekülen beschränkt sind. Der zweite Ladungstransfer O−2 → O2−2 generiert tief liegende elektronische Anregungen, die als Chemostrom detektiert werden kännen. Gleichzeitig führen allerdings Augerprozesse zur Emission von Exoelektronen. Ein Versatz zwischen Chemostrom und Exoemission wurde beobachtet, welcher durch die niedrige Bandbreite der Alkalimetalle erklärt wird. Bei einer ausreichenden Lebensdauer des injizierten Lochzustands kann dieser unter die Bandkante des Metalls gedrückt werden, was die resonante Ionization des Adsorbats (und damit den Chemostrom) unterdrückt. Die Exoemission dagegen ist hiervon nicht betroffen. Die Oxidation der Oberfläche entkoppelt die Adsorbatzustände effektiv von denen des Metalls. Dies führt zu einer verlängerten Lebensdauer der injizierten Lochzustände, was eine erhöhte Nichtadiabatizität der Adsorption zur Folge hat. Modelrechnung wurden unter Benutzung eines Newns-Anderson Hamiltonian durchgeführt um nicht-adiabatische Anregungensspektren hervorgerufen durch die Adsorption eines Sauerstoffmoleküls auf einer K(100) Oberfläche zu beschreiben. Parameter für das zeitabhängige Newns-Anderson Model wurden aus unabhängigen Dichtefunktionalrechnungen entnommen. Ein großes Ungleichgewicht zwischen angeregten Löcher und Elektronen wurde gefunden. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Beschreibung durch eine effektive Temperatur für die betrachteten Systeme nicht angemessen ist.