Untersuchung von Adsorbatreaktionen organischer Moleküle auf Siliciumoberflächen mittels schnellem Laserheizen und Rastertunnelmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Dürr
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285729788

Die Adsorption organischer Moleküle auf Halbleiteroberflächen verläuft in den meisten Fällen über einen Zwischenzustand, der den Reaktionsverlauf und das Endprodukt kontrolliert. Für Moleküle mit Heteroatomen wie Sauerstoff oder Stickstoff wird dieser Zwischenzustand über eine dative Bindung zwischen dem Heteroatom und dem unbesetzten dangling-bond-Zustand z.B. der Si(001)-Oberfläche gebildet; die Weiterreaktion verläuft über die sogenannte Konversionsbarriere in den kovalent gebundenen Endzustand. In konventionellen Experimenten wird typischerweise nur der Reaktionspfad mit der kleinsten Konversionsbarriere beobachtet, da die höher-aktivierten Pfade erst bei Temperaturen nennenswert zur Reaktionsrate beitragen, bei welchen die Gesamtraten schon zu groß sind, um sie auf der typischen Zeitskala von z.B. STM-Experimenten zu beobachten. In diesem Vorhaben soll nun die Potentiallandschaft für Oberflächenreaktionen beispielhafter organischer Moleküle (Ether, Alkohole, Amine) auf Si(001) unter Einbeziehung der höheraktivierten Reaktionskanäle untersucht werden. Dazu wird die Probe mittels Laser-induzierter Heizpulse auf der Nanosekundenzeitskala erhitzt und zwischen den Heizzyklen mittels STM untersucht. Damit wird der schnelle Heizzyklus vom langsamen Messzyklus entkoppelt und es können Prozesse mit Raten bis zu 10^9 1/s auf atomarer Skala verfolgt werden. Somit ist den Messungen ein deutlich größerer Temperaturbereich zugänglich; aus den beobachteten Endzuständen für den jeweiligen Reaktionspfad, den Reaktionsraten sowie deren Temperaturabhängigkeit können die Barrieren für die unterschiedlichen Reaktionskanäle ermittelt werden. Es kann somit nicht nur die Potentialkurve für den energetisch günstigsten Reaktionskanal, sondern ein deutlich größerer Ausschnitt der Potentialfläche bestimmt werden. Die Adsorbate sind dabei so gewählt, dass unterschiedliche Einflussgrößen auf den Reaktionsverlauf getrennt adressiert werden; so steht z.B. im Falle der Etheradsorption der Einfluss der Oberflächenzustände auf die Reaktion und die daraus resultierenden unterschiedlichen Konfigurationen auf der Oberfläche bei gleichem Bindungsbruch im Molekül im Vordergrund. Für die Adsorption von Alkoholen soll dagegen im Schwerpunkt das Konkurrenzverhalten zwischen O-H Spaltung und O-C Spaltung im Molekül untersucht werden. Die gewählten Moleküle stehen dabei beispielhaft für eine große Anzahl an Adsorbatsystemen und die Ergebnisse können deshalb zum besseren Gesamtverständnis der Adsorbatreaktionen auf Halbleiteroberflächen und ihrer zu Grunde liegenden treibenden Kräfte entscheidend beitragen. Darüber hinaus sind die Ergebnisse auch für weitergehende Experimente zur Funktionalisierung von Halbleiteroberflächen von Bedeutung, wenn Moleküle mit mehreren Funktionalitäten adsorbiert werden sollen. Die Steuerung der Adsorption solcher Moleküle, z.B. über die Wahl der Adsorptionstemperatur, erfordert auch die Kenntnis der höher aktivierten Reaktionskanäle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen