Rastertunnelmikroskopie von Gleichgewichtsfluktuationen monoatomarer Stufen : eine experimentelle und theoretische Analyse am Beispiel von Kupfervizinalflächen

Wir haben mit dieser Arbeit erstmalig ein vollständiges Verständnis der plötzlichen Sprünge in der Position fluktuierender, monoatomarer Stufen auf Kupferoberflächen in Tunnelbildern erzielt. Es wurde gezeigt, daß diese Sprünge nicht durch sogenannte schnelle Ereignisse, wie z. B. die Diffusion von Adatomen entlang der Stufenkante, hervorgerufen wird, sondern ausschließlich durch das Hüpfen von Kinken. Das Hüpfen der Kinken ist eine Folge zweier unterschiedlicher atomarer Basisprozesse an der Stufenkante, Rückkehr-Ereignisse und Langzeit-Ereignisse. Im ersten Prozeß wird ein Atom von einer Kinke emittiert und kehrt nach einigen zufälligen Diffusionsschritten entlang der Stufe A zur ursprünglichen Kinke zurück. Langzeit-Ereignisse entstehen durch die Nicht-Rückkehr emittierter Atome. Wir konnten zeigen, daß die Nicht-Rückkehr der Atome überwiegend durch die Emission eines weiteren Atoms derselben Kinke hervorgerufen wird, bevor das erste Atom wieder an der Kinke angekommen ist und nicht durch den Einfang des emittierten Atoms an einer benachbarten Kinke. Die Identifizierung der atomaren Basisprozesse an der Stufenkante ist aufgrund der neuartigen Analysemethode der Intervallverteilung von Stufensprüngen fluktuierender Stufen in Tunnelbildern möglich, die im Rahmen dieser Dissertation entwickelt wurde. Wir haben auf Kupfervizinalflächen (IIn) die Wahrscheinlichkeitsverteilung P($\kappa, \tau$) bestimmt, $\kappa$ Rasterzeilen zwischen aufeinanderfolgenden Stufensprüngen zu finden. Die Intervallverteilungen weisen unabhängig von der Temperatur und von der Rastergeschwindigkeit zwei charakteristische Bereiche auf. Im Bereich langer Intervalle hat die Verteilung einen exponentiellen Verlauf. Für kurze Intervalle folgt die Verteilung einem universalen $\kappa^{-3/2}$-Gesetz. Monte-Carlo Simulationen fluktuierender Stufen weisen unabhängig von der Wahl der Energieparameter dieselben Bereiche auf. Wir haben ein mikroskopisches theoretisches Modell entwickelt, das die beiden Bereiche reproduziert und die absoluten Werte für die Häufigkeit, mit der die Intervalle auftreten in den Simulationen sehr gut wiedergibt. Anhand dieses Modells konnten wir nachweisen, daß lange und kurze Intervalle durch die oben erwähnten Langzeit- bzw. Rückkehr-Ereignisse hervorgerufen werden. Durch die Analyse des Temperaturverhaltens von Langzeit- und Rückkehr-Ereignisse haben wir erstmalig die Aktivierungsenergien für die Emission eines Atoms von einer Kinke an die Stufenkante und für die Diffusion eines Atoms entlang der Stufe zu E$_{a}$ = 6100 K bzw. E$_{d}$ = 5200 K bestimmt. [...