The work presented here was supported by the German Science Foundation (DFG) under the Priority Program "Wetting and Structure Formation at Interfaces". The purpose of this project was to study the wetting properties of liquid 4He on ce-sium substrates by means of optical (Surface Plasmon Spectroscopy) and electrical methods (Photoelectron Spectroscopy and Tunnelling).
These experiments have been performed in a Helium-4 cryostat which fulfills the requirements for a good temperature stability (∆T ≤ 1 mK) over long runs (≥ 10 h) around the base temperature of T ≈ 1.35 K. Another important fea-ture of the cryostat is that it provides optical access to the sample in three spatial directions which makes it possible to use simultaneously different methods to char-acterize the system. The experimental cell was designed [Rei99] to facilitate the study of physisorbed helium films on horizontal substrates. The methods employed provide additional information about the substrate coverage and deliver compli-mentary results to better understand the wetting properties on both macroscopic and microscopic scales.
The optical method of Surface Plasmon Spectroscopy was employed to measure the thickness of an adsorbed film on various substrates. This technique allows one to locally resolve the thickness of the adsorbed films with a high resolution ('0.3 nm). It is successfully used to measure the film thickness of the helium adsorbed on Cs and on the underlying substrate of Ag. For the latter substrate, the dependence of the film thickness as a function of the distance from the bulk liquid level to the substrate is measured. In this way, the crossover between the non-retarded and retarded regime is determined to take place around 32 nm. Although the method has a high thickness resolution, the spatial resolution is limited to the length scale of the propagation length of the surface plasmons over which the thickness is averaged.
The Ag substrates produced by vacuum deposition at room temperature and inspected immediately with an AFM , show rather smooth surfaces with structures up to 50 nm in diameter and few nm in height, distributed homogeneously on large areas. When the freshly deposited Ag exposed to laboratory environment, it develops fine surface structures which are associated with oxide/sulphide formation within1hour. The growth of this overlayer on the surface takes place at the expense of Ag and changes noticeably the surface roughness. To reduce the probability that this overlayer forms, only Ag surfaces with short exposure time have been used in the experiments.
The Cs films produced by vacuum deposition on very cold substrates (on previ-ously prepared Ag) by quench-condensing method result in a rough, inhomogeneous
Cs surfaces which show columnar growth1. The main cause of such a surface topog-raphy is the suppressed surface diffusion of Cs atoms due to the low temperatures at which these Cs substrates are produced. However, the roughness of the underlying Ag surface may also have an influence on the columnar growth.
We employed the Photoelectron Spectroscopy method to determine the chemical state and the quality of the deposited Cs films. The measured value of the work function measured locally on these substrates (Φ = 1.88 eV) proves that Cs is in metallic form and any contaminating oxides -which influence the wetting behaviour-are present.
The thickness of the helium film adsorbed on a quench-condensed cesium surface measured via Surface Plasmon Resonance technique grows typically up to 120Å . However, this method allows to determine the local thickness of the helium film averaged over the length scale of the propagation length of the surface plasmons.
The method of Photoelectron Tunnelling [Con96] is successfully employed as a complimentary technique to the SPR and reveals interesting results. It allows to very sensitively resolve the thickness of an adsorbed helium film on the non-wetted columnar patches of Cs from a submonolayer up to about three layers. At low values of the reduced pressure (i.e., in the submonolayer regime) the photocurrent decay obeys an exponential law and the adsorbed helium atoms behave like a 2D-gas. As the system moves towards coexistence, the photocurrent levels off and the surface coverage gets close to the layer completion. Close to saturated vapor pressure, surface coverage increases suddenly, which is interpreted as the transition from one layer to the 2−3 layer regime, but the system is still in the non-wetted state.
Combining these two methods allows us to understand the topography of the cesium substrate which is responsible for this adsorption behaviour. The regions where the deposited cesium is too thin, will show wetting, as revealed by the SPR technique. In contrast, the cesium columns which are thick enough are non-wetted by helium and these patches are the only remaining regions for electrons to leave the surface and contribute to the photocurrent.
The experiments carried out in this work points to the importance of the substrate roughness and how this can alter the wetting properties. There are some aspects regarding the cesium substrates produced by quench-condensation and their wetting properties which would be interesting to investigate in future experiments in order to improve the substrate homogeneity.
• Control of the Deposition Parameters. The cesium evaporation setup used in the experiments described above consists of a stabilized current power supply and a Cs dispenser and does not provide any control of the evapora-tion parameters. Although the final thickness of the deposited film could be
1Recent STM experiments of Cs deposited on HOPG [Fub04] confirms a columnar structure of up to10nm height, with a correlation length of 30nm.
measured via SPR, a very sensitive parameter which influences the roughness of the deposited films, i.e. the evaporation rate, could not be monitored. In order to obtain a homogeneous thickness for the cesium it is desirable to keep the value of the evaporation rate as low as possible.
For this purpose, a good alternative would be to use a quartz microbalance (QMB) to monitor and control the evaporation rate during the deposition process. The QMB could be used to cross check the final thickness of the deposited cesium film with the value provided via SPR. One has to choose very good quality quartz oscillators and precautions have to be taken regarding the surface roughness of those commercially available quartz oscillators.
• Wetting Studies andIn Situ Imaging of the Cesium Substrate. After the deposition of the cesium substrate the surface could be inspected in situ by means of the Low Temperature-STM and the influence of the evaporation rates on the surface roughness and wetting properties could be investigated.
The design [Och97, Rei99] and the previous work [Mug98] proved that the LT-STM is a reliable tool to characterize substrates prepared at low temper-atures. It can be used either to visualize the topography of the substrate, or to measure the work function. In this context, the simultaneous use of the LT-STM to visualize the cesium substrate in combination with optical methods (SPS and/or SPM) to measure the adsorbed helium films on these substrates would provide a complete picture of the substrate properties from the point of view of both adsorption behaviour and surface roughness.
The investigations and results obtained in this study shows that the substrate roughness plays a crucial role on the wetting properties and should be taken into consideration for future studies.
Zusammenfassung
Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Benetzungseigenschaften von Helium Filmen im Rahmen eines DFG-Projektes, das in den Forschungsschwer-punkt ’Benetzung und Strukturbildung an Grenzflächen’ eingegliedert wurde. Ziel dieser Arbeit war das Benetzungsverhalten von Helium auf Cäsiumsubstraten mit-tels optischer (Oberflächenplasmonen-Resonanz) und elektrischer (Photoelektronen Tunnel) Methoden zu untersuchen.
Die Experimente wurden in einem 4He Badkryostatensystem durchgeführt, der eine hohe Temperaturstabilität (∆T ≤ 1 mK für T ≤ 2.16 K), hohe Standzeit (≥ 10 h bei T ≈ 1.35 K) und optischen Zugang bietet. Die eingesetzte Messzelle wurde entwickelt, um das Benetzungsverhalten von physisorbierten Filmen auf einer horizontalen Geometrie des Substrates zu untersuchen. Die Messmethoden liefern zusätzliche Informationen über die Bedeckung des Substrates mit einem Adsorbat, um das Benetzungsverhalten auf der makroskopischen und mikroskopischen Skala zu charakterisieren.
Die Oberflächenplasmonen-Resonanz (OPR) Methode wurde verwendet, um die Adsorbatschichtdicke an einem festgelegten Ort des Substrates mit sehr hoher Auf-lösung (' 0.3 nm) zu bestimmen. Die Messmethode wurde erfolgreich eingesetzt, um adsorbierte 4He Filme entweder auf Cäsium oder auf Silber Substraten zu be-stimmen. Der Zusammenhang zwischen der wachsenden Helium Filmschichtdicke auf einem Silbersubstrat und der Höhe des Substrates über dem Heliumspiegel wurde untersucht. Der Retardierungsübergang zwischen nicht-retardiertem und retardiertem Verhalten findet bei 32nm statt.
Die AFM-Aufnahmen von Ag Substraten die in einer kommerziellen Aufdampf-anlage bei Raumtemperatur erzeugt werden, zeigen eine relativ glatte und homo-gene Oberfläche mit Strukturen bis50nm Durchmesser und einigen nm Höhe. Die Oberfläche des frisch aufgedampften Ag Substrates entwickelt sich unter Luftlabor-bedingungen zu einer feinen Oxyd/Schwefel-Struktur, die die Substrat-Rauigkeit drastisch ändert.
Die Cäsiumfilme, die auf den unterliegenden Silbersubstraten bei tiefen Tempera-turen unter UHV-Bedingungen aufgedampft sind, haben eine raue, nicht homogene Säulenstruktur2. Die Erklärung dafür ist, dass die Oberflächendiffusion von Cäsiu-matomen, die stark von Substrattemperatur abhängt, sehr niedrig ist.
Die Photoelektronen-Spektroskopie Messmethode wurde eingesetzt, um die
Qua-2Die vor kurzem durchgeführten Experimente [Fub04] bestätigen eine Säulenstruktur mit einer mittleren Höhe von etwa10nm und einer Periodizität von30nm.
lität und chemische Beschaffenheit des frisch aufgedampften Cäsiumfilms zu über-prüfen. Der lokale Wert der Austrittsarbeit beträgt Φ = 1.88 eV und zeigt, dass die Cäsiumoberfläche rein metallisch und oxydfrei ist.
Die adsorbierte Heliumfilmdicke auf einem abschreckend-kondensiertem Cäsium-substrat, mit der OPR Messmethode gemessen, beträgt etwa 120Å bei 1.36 K.
Jedoch ist die Heliumfilmdicke über der Lateralskala der OP Lauflänge gemittelt.
Zusätzlich zur OPR Messmethode wurde die Photoelektron Tunnel (PT) Messme-thode erfolgreich eingesetzt und diese hat Informationen geliefert, die bisher nicht zugänglich waren. Sie ermöglicht, das auf die nicht benetzte Säulenstruktur adsor-bierte Helium in einem Bereich von Submonolage bis zu 3 Monolagen aufzulösen.
Für niedrige Werte vom reduzierten Druck (bzw. im Submonolage Bereich) nimmt der Photostrom mit zunehmenden Druck ab und die auf dem Substrat adsorbierten Heliumatome haben ein zweidimensionales Gas-Verhalten. Bei mittleren Werten von reduziertem Druck, bleibt der Photostrom unverändert und die Bedeckung wird bis zu einer Helium Monolage wachsen. In der Nähe des Sättigungsdampfdrucks steigt die Oberflächenbedeckung plötzlich, die als Übergang von einer Monolage bis zu 2−3 Monolagen im unvollständig benetzten Zustand zu interpretieren ist.
Die Kombination dieser Messmethoden ermöglicht das Verständnis für die Topo-graphie, die solche Benetzungseigenschaften verursachen. Die OPR zeigt, dass die Bereiche zwischen die Säulenstruktur des Cäsiumfilmes zu dünn sind und benetzt wurden. Die Cäsiumsäulenstruktur wird in Gegensatz dazu von Helium nicht be-netzt, und diese Bereiche sind die einzigen durch welche die Elektronen tunneln, und so zum Photostrom beitragen können. Bei Koexsistenz sind diese Cäsiumsäu-len immer noch nicht benetzt.
Diese Experimente haben gezeigt, dass die Substrateigenschaften –hauptsächlich deren Oberflächenrauigkeit– einen entscheidenden Einfluss auf das Benetzungsver-halten hat, und somit in zukünftigen Untersuchungen mit berücksichtigt werden sollte.