Atom-by-Atom Assembly and Investigation of Small Fe Clusters with High-Resolution Atomic Force Microscopy

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	26 März 2020
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Franz J. Gießibl
Tag der Prüfung:	21 Februar 2020
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Giessibl > Arbeitsgruppe Franz J. Giessibl
Projekte:	SFB 1277: Emergente relativistische Effekte in der Kondensierten Materie: Von grundlegenden Aspekten zu elektronischer Funktionalität
Stichwörter / Keywords:	Rasterkraftmikroskopie, atomic force microscopy, AFM, Chemische Reaktivität, Chemical Reactivity, Katalyse, Catalysis, Hochauflösung, High-Resolution, Atomare Auflösung, Atomic Resolution, Laterale Manipulation, Lateral Manipulation, Eisencluster, Fe Cluster, Fe on Cu(111), CO-terminated tip
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	41692

Zusammenfassung (Englisch)

Small Fe clusters are important catalysts which are used in industry and nature. So far, their chemical reactivity was studied as a function of cluster size and mainly in the gas phase. However, a precise determination of their “active sites” – chemical most reactive locations within the clusters – was missing, so far. Within this thesis, the chemical reactivity of small Fe clusters is measured ...

Zusammenfassung (Englisch)

Small Fe clusters are important catalysts which are used in industry and nature. So far, their chemical reactivity was studied as a function of cluster size and mainly in the gas phase. However, a precise determination of their “active sites” – chemical most reactive locations within the clusters – was missing, so far. Within this thesis, the chemical reactivity of small Fe clusters is measured on the atomic scale by utilizing a combined scanning tunneling and atomic force microscope with CO-terminated tips operating at ultra-high vacuum and low temperature conditions.

The first part of this work deals with the artificial creation of small Fe clusters in a controlled manner: First, the lateral manipulation of single Fe adatoms on the Cu(111) surface with monoatomic metal and CO-terminated tips is compared. Second, it is demonstrated that small Fe clusters can be assembled atom by atom using CO-terminated tips while the tip’s structure is preserved. Latter finding is specifically important as CO-terminated tips are quite flexible and relatively fragile. Using CO-terminated tips allows building up Fe clusters with atomic precision as they can also be used to image the Fe clusters in-between each enlargement step with atomic resolution.

The second part of this thesis describes the interaction between the manually assembled Fe clusters and the CO-terminated tip. By approaching the CO-terminated tip towards the various Fe atoms of one cluster, it was found that the chemical interaction between a specific Fe cluster atom and the tip’s CO molecule decreases the bigger the coordination number of the Fe atom is. In this way, it was revealed that the Fe cluster corner atoms are most chemical reactive followed by the edge atoms. This finding is interpreted as a direct measurement of the chemical reactivity of small Fe clusters on the atomic scale.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Kleine Fe-Cluster sind wichtige Katalysatoren welche industriell und in der Natur verwendet werden. Ihre chemische Reaktivität wurde bisher in Abhängigkeit von der Clustergröße in der Gasphase untersucht. Die genaue örtliche Bestimmung der „active sites“ – chemische reaktivere Positionen innerhalb des Clusters – konnte bisher nicht durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird die chemische ...

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Kleine Fe-Cluster sind wichtige Katalysatoren welche industriell und in der Natur verwendet werden. Ihre chemische Reaktivität wurde bisher in Abhängigkeit von der Clustergröße in der Gasphase untersucht. Die genaue örtliche Bestimmung der „active sites“ – chemische reaktivere Positionen innerhalb des Clusters – konnte bisher nicht durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird die chemische Reaktivität kleiner Fe-Cluster auf atomarer Ebene durch die Verwendung eines kombinierten Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskops mit CO-terminierten Messspitzen, welches im Ultrahochvakuum bei tiefen Temperaturen betrieben wird, untersucht.

Im ersten Teil der Arbeit wird die manuelle Erzeugung kleiner Fe-Cluster mit einer kontrollierten Methode vorgestellt: Zuerst wird die laterale Manipulation einzelner Fe Adatoms auf der Cu(111) Oberfläche mit monoatomaren Metall und CO-terminierten Messspitzen verglichen. Als Nächstes wird gezeigt dass kleine Fe-Cluster Atom für Atom unter Benutzung CO-terminierter Messspitzen erzeugt werden können während die Messspitzen keinen Schaden davon tragen. Das letzte genannte Ergebnis ist von großer Wichtigkeit, da CO-terminierte Messspitzen lateral flexibel und als relativ fragil angesehen werden. Die Benutzung von CO-terminierten Messspitzen erlaubt es kleine Fe-Cluster mit atomarer Präzession kontrolliert zu erzeugen da die Messspitzen es zusätzlich ermöglichen kleine Fe-Cluster auf atomarer Ebene abzubilden.

Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Wechselwirkung zwischen den manuell hergestellten Fe-Clustern und der CO-terminierten Messspitze. Indem die CO-terminierte Messspitze an die verschiedenen Fe Atome eines Fe-Clusters angenähert wurde, konnte festgestellt werden, dass die chemische Wechselwirkung zwischen einem Atom eines Fe-Clusters und dem CO Molekül der Messspitze mit der Koordinationszahl des Fe Atoms abnimmt. Auf diese Weise wurde entdeckt, dass die Eckatome eine Fe-Clusters am chemisch reaktivsten sind gefolgt von den Kantenatomen. Diese Entdeckung wird als direkte Bestimmung der chemischen Reaktivität kleine Fe-cluster auf atomare Ebene eingeordnet.

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