Analyse und Simulation der Nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskopie im UHV mittels ab initio Molekulardynamik

• Antragsteller: Professor Dr. Hendrik Hölscher
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5428338

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Analyse und Simulation der Nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskopie im UHV mittels Molekulardynamik“ wurden ab-initio Simulationen der Spitzen-Proben-Wechselwirkung in der dynamischen Rasterkraftmikroskopie durchgeführt. Die Simulationen erforderten zeitintensive Berechnungen, die auf der Dichtefunktionaltheorie basierten. Diese wurden an Parallelrechnern des Forschungszentrum Jülich (JUMP) und teilweise auch an der Universität Münster (ZIVCLUSTER) durchgeführt. Im Rahmen des DFG Projektes wurden drei Fragestellungen untersucht. Im ersten Teilprojekt wurde die Wechselwirkung zwischen einer Silizium-Spitze und einer Indiumarsenid-Oberfläche untersucht. Die dabei auftretende Hysterese in den Kraftkurven kann als eine Erklärung die experimentell beobachtete Energiedissipation in der Nicht-Kontakt- Rasterkraftmikroskopie dienen. Im zweiten Teilprojekt wurde die Stabilität der experimentell verwendeten Siliziumspitzen untersucht. Dabei wurden zwei verschiedene kristallographische Orientierungen berücksichtigt. Es zeigte sich, dass bei der [111]-orientierten Spitze ein bisher nicht beschriebener „Selbstschärfungsprozess“ zu beobachten ist. Anhand von [001]-orientierten Spitzen wurde der sogenannte „Two-Dangling-Bond“ Effekt untersucht. Dabei konnten wir keine Bestätigung für diesen kontrovers diskutierten Effekt finden. Im dritten und letzten Teilprojekt haben wir begonnen die Kontrastmechanismen bei der Abbildung von organischen Molekülen auf Metalloberflächen zu untersuchen. Dabei betrachteten wir zunächst eine Silberoberfläche mit [110]-Orientierung. Allerdings zeigten unsere Simulationen, dass die Siliziumspitze bei dieser Oberfläche sehr leicht mit Silberatomen kontaminiert wird. Dieses Ergebnis ist im Einklang mit experimentellen Beobachtungen. Im weiteren Verlauf des Projektes wurde daher nur noch Kupfer als Substrat berücksichtigt. Als Modelsystem wurde ein Benzolmolekül als Modelsystem für ein adsorbiertes organisches Molekül betrachtet. Die Rechnungen zu diesem System sind sehr zeitintensiv und waren zum Ende des Projektes noch nicht abgeschlossen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 20.-24.6.2004. Wiesbaden, Germany. 7th International Conference on Nanostructured Materials (NANO2004): Ab initio calculations of tip-sample interactions for the simulation of NC-AFM images of InAs(110)
  V. Caciuc, H. Hölscher, S. Blügel, H. Fuchs
  
• 16.-18.8.2005. Bad Essen Germany. 8th International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy (NC-AFM 2005): Intrinsic Atomic-Scale Sharpening of Silicon Tips in Atomic Force Microscopy
  V. Caciuc, H. Hölscher, H. Fuchs
  
• 16.-18.8.2005. Bad Essen Germany. 8th International Conference on Noncontact Atomic Force MicroscopyY (NC-AFM 2005): Intrinsic Atomic-Scale Sharpening of Silicon Tips in Atomic Force Microscopy
  V. Caciuc, H. Hölscher, H. Fuchs
  
• 18.-22.06.2005. Porquerolles, France. 4th ESF Nanotribology Workshop. Hysteretic Behaviour of Point Contacts: An ab initio Study
  H. Hölscher, V. Caciuc, S. Blügel, H. Fuchs
  
• 3.-8.7.2005. Sapporo, Japan. 13th International Conference on Scanning Tunneling/Spectroscopy and Related Techniques. Atomic-scale sharpening of silicon tips in non-contact atomic force microscopy
  V. Caciuc, H. Hülscher, H. Fuchs, S. Blügel
  
• 4.-9.4.2005. Berlin, Germany. Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. First-principles simulations of NC-AFM image contrast on InAs(110) surface
  V. Caciuc, H. Hölscher, S. Blügel, H. Fuchs
  
• Ab initio investigation of NC-AFM image contrast on InAs(110) surface. PHYSICAL REVIEW B 72, 035423 (2005)
  V. Caciuc, H. Hölscher, S. Blügel
  
• Hysteretic Behaviour of the Tip-Sample interaction on InAs(110) Surface: An ab initio Study. NANOTECHNOLOGY 16, S59–S62 (2005)
  V. Caciuc, H. Hölscher, S. Blügel, H. Fuchs
  
• Atomic-scale sharpening of silicon tips in noncontact atomic force microscopy. PHYSICAL REVIEW LETTERS 96, 016101 (2006)
  V. Caciuc, H. Hölscher, S. Blügel, and H. Fuchs
  
• First-principles study of atomicscale dynamics of clean silicon tips in atomic force microscopy. PHYSICAL REVIEW B 74, 165318 (2006)
  V. Caciuc, H. Hölscher, S. Blügel, and H. Fuchs