Prof. Dr. Dietrich Wolf – Theoretische Festkörperphysik

Prof. Dr. Dietrich Wolf – Theoretische Festkörperphysik
Projekt: Dynamik geladener granularer Materie und gepulste Laserdeposition
In der neuen Antragsperiode sollen in dieser Arbeitsgruppe zwei Promotionsthemen zur Auswahl angeboten
werden, die einerseits an Fragestellungen und Methoden zentraler Projekte anknüpfen, andererseits
jedoch bewußt über den Rahmen des Graduiertenkollegs hinausgehen. Die Intention ist dabei, im
Interesse einer stimulierenden Ausbildung der Kollegiaten auch Themen in die Diskussion zu bringen,
welche zentrale Projekte in einen allgemeineren Rahmen stellen. Das geht zwangsläufig auf Kosten einer
strengen thematischen Fokussierung auf ein gemeinsames Forschungsziel, wie sie bei einem Sonderforschungsbereich
geboten wäre. Es handelt sich um die folgenden Themen:
• Dynamik bipolar aufgeladener granularer Materie.
• Das Lagenwachstum bei gepulster Laserdeposition.
• Dynamik bipolar aufgeladener granularer Materie
Eines der geplanten Dissertationsthemen in der Gruppe Entel betrifft die Molekülbedeckung von
Salzkörnern. Das Ziel ist, die mikroskopischen Grundlagen der Kontaktelektrizität von NaCl und KCl
zu verstehen [1]. Beim Mischen dieser Salze unter Zugabe geringer Mengen von Salicylsäure (und anderen
Flüssigkeiten) laden sie sich unterschiedlich auf. Solche bipolare Aufladung granularer Materie ist
technologisch von großer Bedeutung für elektrostatische Trockentrennverfahren [2].
Das hier vorgeschlagene Dissertationsthema knüpft unmittelbar daran an. Wir wollen die Dynamik bipolar
geladener granularer Materie mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen, insbesondere
die Kollisionsstatistik der Körner. Dabei soll angenommen werden, daß die Körner kugelrund
sind mit permanenten Ladungen in ihren Mittelpunkten. Wir hoffen, diese Annahmen infolge der Entwicklung
eines besseren mikroskopischen Verständnisses der Aufladungsvorgänge realistischer machen
zu können.
Die Kollisionsstatistik in monopolar geladener granularer Materie, wie sie z.B. beim Verfahren der Pulverlackierung
auftritt, wurde von uns im Rahmen einer Doktorarbeit [3] untersucht (siehe Arbeits- und
Ergebnisbericht). Die monopolare Aufladung verhindert die bei neutralen granularen Systemen beobachtete
und bei bipolaren erst recht erwartete Instabilität bezüglich der Clusterbildung, die durch den
irreversiblen Charakter der Kollisionen verursacht wird [4]. Insofern ist die Dynamik bipolar geladener
granularer Materie sehr viel komplizierter als im monopolaren Fall. Die Clusterinstabilität wird deshalb
ein Hauptgesichtspunkt dieser Untersuchung sein.
• Das Lagenwachstum bei gepulster Laserdeposition
Das epitaktische Aufdampfen atomarer Lagen mittels Molekularstrahlepitaxie ist Gegenstand eines Dissertationsthemas,
das in der Gruppe Keune/Brand vorgeschlagen wird. Dieses Lagen- oder Frank-van
der Merwe-Wachstum kann man anhand von RHEED-Oszillationen überwachen. Solche Oszillationen

mit der Periode einer Monolage treten in allen Größen auf, die auf die Oberflächenmorphologie sensitiv
sind, und können zur Definition des Lagenwachstums herangezogen werden.
Die kontinuierliche Deposition hat den Nachteil, daß die charakteristische Größe zweidimensionaler
Inseln und die Aufdampfrate nicht unabhängig voneinander variiert werden können (bei gegebener Temperatur).
Um auch bei niedriger Aufdampfrate eine hohe Inseldichte zu erhalten, hat man das Verfahren
der gepulsten Laserdeposition entwickelt. Daß man damit die Inseldichte und die mittlere Aufdampfrate
unabhängig voneinander variieren kann, hat neue Wege eröffnet, die Qualität des Lagenwachstums zu
verbessern oder es überhaupt erst zu ermöglichen [5]. Obwohl diese Präparationstechnik im Graduiertenkolleg
noch nicht eingesetzt werden kann, ist es wichtig, die Kollegiaten mit dieser zukunftsweisenden
Methode bekannt zu machen.
Aufbauend auf unserer Theorie des Lagenwachstums bei kontinuierlicher Deposition [6] und unseren
Ergebnissen zum Skalenverhalten der Inseldichte bei gepulster Deposition [7] (siehe Arbeits- und Ergebnisbericht)
wollen wir zwei Größen systematisch in Abhängigkeit der Pulsintensität und der Pulsfrequenz
untersuchen: Die Lebensdauer der Oszillationen und die charakteristische Länge, auf der die
Kohärenz der atomaren Lagen verloren geht. Dabei wollen wir im Gegensatz zu früheren Untersuchungen
[8, 9] den Grenzfall verschwindender Pulsdauer betrachten, weil andernfalls im Submonolagenbereich
kein einfaches Skalenverhalten zu finden ist, jedoch die Pulsfrequenz nicht auf einen Puls pro
Monolage festlegen [10, 11], um die auf das Lagenwachstum zurückzuführenden Oszillationen von denen
zu trennen, die durch die periodische Abfolge der Pulse verursacht werden. Ferner wollen wir uns
auf den experimentell relevanten Fall konzentrieren, bei dem der Interlagentransport der Adatome durch
Ehrlich-Schwoebel-Barrieren behindert wird.
• Geplante Dissertationsthemen
1. Dynamik bipolar aufgeladener granularer Materie.
2. Das Lagenwachstum bei gepulster Laserdeposition.
Literatur
[1] H. Meyer, P. Entel, and D. E. Wolf, Some conjectures with respect to the problem of electrostatic charging
effects of salt, to be submitted to J. Chem. Phys. (1999).
[2] A. Singewald and G. Fricke, Die elektrostatische Aufbereitung von Kali-Rohsalzen, Chem.-Ing.-Tech. 55,39
(1983).
[3] T. Scheffler, D. E. Wolf, Collisional cooling in charged granular materials, to be submitted to Granular
Matter (1999).
[4] I. Goldhirsch, Microstructures and kinetics in rapid granular flows, in: Traffic and Granular Flow, edited by
D. E. Wolf, M. Schreckenberg, and A. Bachem (World Scientific, Singapore, 1996), p. 251.
[5] H. Jenniches, M. Klaua, H. Höche, J. Kirschner, Comparison of pulsed laser deposition and thermal deposition:
Improved layer-by-layer growth of Fe/Cu(111), Appl. Phys. Lett. 69, 3339 (1996).
[6] D. E. Wolf, Adatom Diffusion and Epitaxial Growth, in: Dynamics of Fluctuating Interfaces and Related
Phenomena, edited by D. Kim, H. Park, and B. Kahng (World Scientific, Singapore, 1997), p. 173.
[7] F. Westerhoff, L. Brendel, and D. E. Wolf, Submonolayer scaling for pulsed laser deposition of epitaxial
films, to be submitted to Europ. Phys. J. B (1999).

[8] P. Jensen and B. Niemeyer, The effect of a modulated flux on the growth of thin films, Surf. Sci. 384, L823
(1997).
[9] N. Combe and P. Jensen, Changing thin-film growth by modulating the incident flux,Phys.Rev.B57, 15 553
(1998).
[10] G. Rosenfeld, N. N. Lipkin, W. Wulfhekel, J. Kliewer, K. Morgenstern, B. Poelsema, and G. Comsa, New
concepts for controlled homoepitaxy, Appl. Phys. A 61, 455 (1995).
[11] S. Schinzer, M. Sokolowski, M. Biehl, and W. Kinzel, Unconventional MBE strategies for computer simulations
for optimized growth conditions, Preprint (1998).