Diffusion, Nucleation and Recombination in Confined Geometries - Kölner UniversitätsPublikationsServer

Lohmar, Ingo (2009). Diffusion, Nucleation and Recombination in Confined Geometries. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In this work we address several problems of surface physics which are all based on the transport mechanism of diffusion. Essential parts consider systems in which particles interact upon meeting, either by reaction or by nucleation. For the astrophysical problem of hydrogen recombination on interstellar dust, the previous analytical treatment is substantially improved upon: The parameter responsible for reaction is defined consistently, and in its calculation, we account for the nature of two-dimensional diffusion. Within several models that are also compared with each other, one obtains explicit results that excellently agree with Monte Carlo simulations. Special attention is given to the influence of the confined geometry, which is analytically examined and explained for a minimal model. We also deal with the role of disorder in the surface structure. A further section presents the closely related problem of nucleation at island edges, which, however, proves to be no longer tractable analytically even under moderate assumptions. Step growth under the effect of codeposited impurities is a technologically relevant process, which is examined in a one-dimensional random walk model. Using microscopic models for the resulting disorder on the surface, one finds interesting results that also bear implications for simulations. Those results concern the general influence on the speed and stability of step growth as well as the nature of boundary conditions in the corresponding continuum model. In the last part we thoroughly analyze a model to describe the diffusion field in desorption experiments, which can be made directly visible on a large scale and with real time resolution. The model agrees well with experimental data and hence constitutes an important step in understanding the fundamental processes involved. Based on this understanding, one can draw direct conclusions from the observation of a surface of complex morphology on its microscopic properties.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Diffusion, Keimbildung und Rekombination in begrenzten Geometrien	German

Translated abstract:

Abstract

Language

In dieser Arbeit werden mehrere Probleme der Oberflächenphysik bearbeitet, die auf Diffusion als Transportmechanismus beruhen. Wesentliche Teile behandeln Systeme, in denen Teilchen durch Reaktion oder Keimbildung bei einem Zusammentreffen wechselwirken. Für das astrophysikalische Problem der Wasserstoffrekombination auf interstellarem Staub wird die bisherige analytische Behandlung wesentlich verbessert: Der für die Reaktion entscheidende Parameter wird konsistent definiert, und bei seiner Berechnung wird die Natur zweidimensionaler Diffusion berücksichtigt. Im Rahmen mehrerer Modelle, die miteinander verglichen werden, kommt man zu expliziten Resultaten, die durch Monte-Carlo-Simulationen exzellent bestätigt werden. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei dem Einfluss der eingeschränkten Geometrie, die anhand eines Minimalmodells analytisch untersucht und verstanden werden kann. Auch Fragen zum Einfluss von Unordnung in der Oberflächenstruktur werden behandelt. Ein weiterer Abschnitt betrachtet das eng verwandte Problem der Keimbildung am Inselrand bei epitaxialem Kristallwachstum, das sich aber bereits unter moderaten Annahmen als analytisch nicht mehr behandelbar erweist. Das Stufenwachstum unter Einfluss von kodeponierten Verunreinigungen ist ein technologisch wichtiger Prozess, der in einem eindimensionalen Random-Walk-Modell untersucht wird. Anhand mikroskopischer Modelle der so entstehenden Unordnung der Oberfläche lassen sich interessante und ebenfalls für Simulationen relevante Aussagen treffen. Diese betreffen sowohl den allgemeinen Einfluss auf die Geschwindigkeit und Stabilität des Stufenwachstums als auch die Natur der Randbedingungen im entsprechenden Kontinuumsmodell. Im letzten Teil wird ein Modell ausführlich analytisch untersucht, das Diffusionsfelder in Desorptionsexperimenten beschreibt, welche man durch Echtzeitbeobachtung auf großem Maßstab direkt sichtbar machen kann. Das Modell beschreibt experimentelle Daten sehr gut und stellt einen wichtigen Schritt im Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse dar. Aufgrund dieses Verständnisses lassen sich aus der Beobachtung einer Oberfläche mit komplexer Morphologie direkte Rückschlüsse auf ihre mikroskopischen Eigenschaften ziehen.

German

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