Computer Simulations of Scanning Tunneling Microscopy of Adsorbate Molecules on Metal Surfaces

摘要

Pyyhkäisytunnelointimikroskopia (eng. Scanning tunneling microscopy, STM) on yksi modernin pintatieteen tärkeimmistä työkaluista. Se mahdollistaa atomirakenteen kuvantamisen reaaliavaruudessa ja pintojen tutkimisen atomimittakaavassa. Menetelmä perustuu kvanttimekaaniseen tunneloitumiseen, jonka ansiosta paikallisen kärjen ja tutkittavan pinnan välille syntyy virta. Kun kärkeä liikuttamalla käydään koko pinta läpi, saadaan topografinen kuva, joka antaa tietoa pinnasta atomitasolla.Kokeelliset tulokset metallipinnalle adsorboituneiden molekyylien pyyhkäisytunnelointimikroskopiasta ovat osoittaneet, että saatu topografinen kuva ei välttämättä vastaa tutkitun systeemin geometrista rakennetta. Siksi kokeellisten STM-kuvien ymmärtämisessä ja tulkitsemisessa STM:n teoreettinen ja laskennallinen mallintaminen on oleellista.Tämä diplomityö keskittyy metallipinnalle adsorboituneiden molekyylien pyyhkäisytunnelointimikroskopian mallintamiseen. Tavoitteena on testata GPAW-ohjelmiston toimivuutta mallinnuksessa. Simulaatioissa tutkitaan, miten adsorbaattimolekyylin lisääminen metallipinnalle vaikuttaa STM-kuviin. Tämä tehdään simuloimalla sekä puhdasta metallipintaa että pintaa, jolle on adsorboitunut molekyyli.Lisäksi työssä simuloidaan elektronien transmissiota molekyylien läpi, jotta adsorbaattimolekyylien vaikutus elektronien tunneloitumiseen saadaan selville.STM-kuvat saadaan puhtaalle Al(111)-pinnalle ja pinnalle, jolle on adsorboitunut happimolekyyli. Kuvissa adsorbaattimolekyyli nähdään pinnalla painaumana eikä kohoumana kuten geometrisen rakenteen perusteella oletettaisiin. Kuvat näyttävät, että adsorbaattimolekyylin lisääminen vaikuttaa laajasti koko STM-kuvaan. Transmissiosimulaatiot eri molekyylien läpi osoittavat molekyylin elektronirakenteen vaikuttavan elektronien tunneloitumiseen. GPAW:n STM-simulaatiopaketin todetaan toimivan vain tiettyjen systeemien STM-simuloinnissa.