Quantensimulationen physisorbierter Molekülschichten auf Graphit

Mit Hilfe der Pfadintegral-Monte Carlo-Methode werdenPhasendiagramme von physisorbierten Molekülschichten aufGraphit untersucht. Die Verwendung von realistischen Potenzialen sowie dieBehandlung aller translatorischen und rotatorischenFreiheitsgrade erlaubt einen quantitativen Vergleich mit denExperimenten.Krypton-Atome bilden in der Monolage ein kommensurablesGitter mit den Atomen über der Mitte jeder drittenGraphitwabe.Die Vorgänge am Schmelzübergang werden von der Desorptioneiniger Atome dominiert. Die Argon-Schicht auf Graphit ist dagegen inkommensurabel.Zweiatomigen Stickstoff-Moleküle bilden eineorientierungsgeordnete Tieftemperaturphase(Fischgrät-Struktur). Quantenfluktuationen führen zu einer Erniedrigung der mitklassischen Methoden berechneten Phasenübergangstemperaturum 12%.Damit wird der experimentelle Wert von 28 K erreicht.Die Anisotropie und das Dipolmoment von Kohlenmonoxid führenzu einer dipolar geordneten Tieftemperaturphase.Die experimentell nicht geklärte Struktur kann in derQuantensimulation als antiferroelektrischeFischgrät-Struktur identifiziert werden.Der Phasenübergang liegt mit 6 K sehr nahe am Experiment(5.2 K).Für die Argon-Stickstoff-Mischsysteme wird dasPhasendiagramm in der Konzentrations(x)-Temperatur(T)-Ebeneerstellt. Die Übergangstemperaturen decken sich mit denen desExperiments.In Konfigurationen mit zufälliger Teilchenbesetzung weisen die linearen Moleküle ab Argon-Konzentrationen von10% ein Orientierungsglas-Verhalten auf.Durch einen zusätzlichen Teilchenaustausch wird in denMischsystemen die Bildung einer Windrad-Phase ermöglicht, inder die Argon-Atome eine Überstruktur annehmen.Diese Phase wird experimentell imArgon-Kohlenmonoxid-Mischsystem vorgefunden, dessenx-T-Phasendiagramm in guter Übereinstimmung mit denSimulationsergebnissen steht.Die explizite Berücksichtigung der Quantenmechanik in denComputersimulationen liefert wesentliche Beiträge zurKlärung des Phasenverhaltens und der Bestimmung vonÜbergangstemperaturen der Tieftemperaturstrukturen.

The path integral Monte Carlo method is used to study phasediagrams of physisorbed molecular layers on graphite.In addition to realistic potentials translational androtational motions in all three dimensions are used in thesimulations, so results can be compared with the experimentsquantitatively.The monolayer of krypton is commensurate with the atomsplaced over every third honeycomb of the graphite surface.Melting of the krypton layer is dominated by the desorptionof atoms.Compared to krypton the monolayer of argon is incommensurateeven at low temperatures.The diatomic nitrogen molecules build a orientationallyordered phase at low temperatures with the so calledherringbone structure.The transition temperature simulated with the classicalMonte Carlo method is lowered by quantum fluctuations.With an amount of 12% lowering the experimental transitiontemperature of 28 K is reached.The anisotropic carbon monoxide (CO) molecules possess anon-vanishing dipole moment and form a dipolar ordered lowtemperature phase.The structure could not be identified with experimentalmethods but in this computer study it is clearly aantiferroelectric herringbone structure.The transistion temperature of 6 K is very close to theexperimental value of 5.2 K.For mixtures of argon and nitrogen the phase diagram in the concentration(x)-temperature(T) plane is simulated.The transition temperatures agree with the experimentaldata.Positionally random configurations show a glassy behaviourof the orientational order of the linear molecules in theregime with argon concentration x higher than 10%.When particle changes are allowed in the simulation, apositionally ordered phase appears - the so called pinwheelstructure where an argon atom is surrounded by six linearmolecules pointing slightly to it.This phase is found experimentally in mixtures of argon andCO as it is in the simulations.All the listed low temperature phases, their behaviour andtheir transition temperatures do strongly depend on quantummechanics.Quantum simulations can clarify these effects and show theimportance of this method to the study of realistic systems.