Verbesserte Manipulation von Atomen mit dem STM: Chlorbenzol auf Si(111) 7x7

• Antragsteller: Professor Dr. Tillmann Klamroth
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278588894

Experimente mit dem Rastertunnelmikroskop (STM) an einzelnen Molekülen stellen die untere Grenze der Nanotechnologie dar. Sie liefern wichtige Beiträge zum grundlegenden Verständnis von chemischen Reaktionen an Oberflächen, deren Anwendungsspektrum sogar bis in die Energie- und Krebsforschung reicht. Die wichtigsten durch STM-Manipulation auf atomarer Ebene gewonnenen Erkenntnisse liegen in der Erforschung der Einflüsse von (i) molekularen Strukturen und Bindungen, (ii) elektronischen und (iii) thermischen Anregungen und (iv) den Adsorptionsplätze auf molekulare Reaktionspfade. In diesem Projekt beabsichtigen wir, klassische und quantendynamische Ansätze für die Modellierung solcher STM-induzierten Reaktionen zu entwickeln und anzuwenden. Basierend auf der Dichtematrixtheorie offener Quantensysteme und first principles Cluster-Rechnungen wollen wir ein umfassendes dynamisches Modell für das System Chlorbenzol auf Si(111) 7x7 erstellen, das ein Musterbeispiel für einfache molekulare Reaktionen darstellt.Das gewählte System zeigt eine Vielzahl von unterschiedlichen STM-induzierten Reaktionen, für die reichhaltige experimentelle Daten zur Verfügung stehen. Trotzdem ist nur wenig über die Details der Kerndynamik bekannt - auch bedingt durch einen bemerkenswerten Mangel an theoretischen Arbeiten. Sowohl die Dissoziation der C-Cl-Bindung als auch die Desorption des gesamten Moleküls können durch den Tunnelstrom oberhalb bestimmter Spannungen induziert werden (mit beliebiger Polarität). Außerdem ist die Desorptionsrate ungefähr proportional zum Tunnelstrom, während die Dissoziationsrate mit dem Quadrat des Tunnelstromes skaliert. Auch mehrere thermisch aktivierte Reaktionskanäle für die Dissoziation und Desorption, die beide die Tunnelstrom-getriebenen Reaktionsraten verstärken, wurden kürzlich in neuen Experimenten mit variabler Temperatur beobachtet.Wir schlagen vor, Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen in Verbindung mit Clustermodellen für die rekonstruierte Silicium-Oberfläche zu benutzen, um für eine genaue dynamische Modellierung dieser Reaktionen wichtige Zwischenstrukturen und Koordinaten zu identifizieren. Die kurzlebigen negativen und positiven Ionenresonanzen, von denen angenommen wird, dass sie die Reaktionen antreiben, werden wir aus der erhaltenen Elektronenstruktur dieser Cluster bestimmen. In enger Zusammenarbeit mit dem Experiment werden wir dann dynamische Modelle erstellen, die im Vergleich mit experimentellen Daten getestet werden und somit auch die quantenchemische Modellierung verfeinern sollen. Derartige Modelle für offene Systeme sind in der Lage, alle unterschiedlichen experimentell beobachteten Reaktionen zu beschreiben. Dadurch kann ein detailliertes Verständnis der Elementarreaktionen in den Einzelmolekül-Experimenten gewonnen werden. Langfristig kann man erwarten, dass dieses neue Verständnis übertragen werden kann auf die praktische Kontrolle der Reaktionen und deren Anwendung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen