Dynamik monodisperser Cluster unter dem schnellen Rastertunnelmikroskop

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Friedrich Esch; Professor Dr. Ulrich Heiz
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230413507

In diesem Forschungsvorhaben sollen die Struktur und die Dynamik geträgerter Cluster mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) in einer bislang nicht erreichten Kombination von Größen- und Adsorptionsplatzkontrolle, sowie mit hoher zeitlicher wie lateraler Auflösung untersucht werden. Aufgrund der identischen chemischen Umgebung aller Cluster können Unterschiede auf die Dynamik des einzelnen Clusters zurückgeführt werden, wie Isomerie und damit einhergehende Fluktuationen (Fluktionalität), adsorbatbedingte Veränderungen, oder chemische Umwandlungen. Zugleich erlaubt die Monodispersität einen statistisch einwandfreien, quantitativen Zugang zur Beschreibung all dieser Prozesse. Wir wollen hiermit die fundamentalen Mechanismen aufdecken, die Clusterstabilität und -reaktivität auf atomarer Skala steuern. Dies ist ausschlaggebend für alle Anwendungen Cluster-assemblierter Materialien, wo nanostrukturierte Materie - intrinsisch energetisch frustriert - der Stabilisierung oder kontinuierlichen Regenerierung bedarf, wie z.B. in katalytischen Prozessen.Im Vorläuferprojekt haben wir spezielle, schnelle STM-Techniken implementiert, bei denen die Dynamik von Clusterensembles abgebildet (FastSTM) oder einzelne Cluster verfolgt werden (Tracken). Diese beiden Methoden wurden noch nie zur Untersuchung größenselektierter Cluster verwendet. Wir haben dazu mit größenselektierten Palladium-Clustern auf Moiré-Graphenfilmen und Bornitrid-Analogen eine experimentelle Plattform etabliert, für die isomerenabhängige Diffusion, Clusterkoaleszenz und -dispersion im Detail untersucht werden konnten.Dieser Fortsetzungsantrag zielt nun darauf, mit den neuen Methoden zeitlich aufgelöst die dynamische Antwort der Cluster auf thermischen, chemischen und reaktionsinduzierten Stress zu untersuchen. Die dynamische Antwort bezieht sich dabei auf Änderungen in Morphologie, Position und elektronischer Struktur, untersucht mit einer Zeitauflösung bis hinab zu 10 ms. Wir wollen die Diffusionspfade aufzeichnen, strukturelle Fluktuationen mit der Mobilität korrelieren, Adsorbat-Cluster-Wechselwirkungen abbilden und ganze Reaktionen verschiedener Exothermizität verfolgen. Vor allem mit unserer Trackingmethode wollen wir dabei quantitative Informationen gewinnen, wie Aktivierungsenergien und -entropien für Diffusions- und Reaktionsprozesse. Insbesondere wollen wir hier lokale und globale Diffusionsprozesse auf periodisch netzbaren Oberflächen differenzieren und den Exponenten bestimmen, der das Diffusionsverhalten charakterisiert. Durch Variation des Trägermaterials und der Clustergröße kann die Wärmedissipation, die in allen diesen Prozessen zum Tragen kommt, kontrolliert und damit ein systematischer Zugang zur Physik der Energiedissipation erhalten werden. Zur Auswertung der Tracking-Daten kann das komplette, von der Molekulardynamik entwickelte Instrumentarium angewendet und das Datenmaterial damit direkt mit Simulationen verknüpft werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen