Die Frequenzmodulations-Rasterkraftmikroskopie mit einer Metallspitze, die mit einem Kohlenstoffmonoxidmolekül (CO-Molekül) terminiert ist, ermöglicht subatomare Auflösung auf der Probe: Einzelne Kupfer- und Eisen-Adatome auf einer Kupfer(111)-Oberfläche erscheinen für sehr kleine Abstände zwischen Spitze und Adatom als repulsive Tori, während Silizium-Adatome, wie regulär erwartet, als repulsive Erhebungen abgebildet werden.

In dieser Dissertation wurde untersucht, wieso die Metalladatome als Tori erscheinen, das Silizium-Adatom jedoch nicht. Dazu wurden dreidimensionale Kraftfelder zwischen den drei einzelnen Adatomen und CO-terminierten Spitzen experimentell bestimmt und mit Simulationen aus dem Probe Particle Model sowie Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen verglichen. Um dies auf einer gemeinsamen Abstandsachse zu ermöglichen, wurde eine neue Methode vorgeschlagen, mit der der im Experiment unbekannte, absolute Abstand zwischen Spitze und der Probe bestimmt werden kann. Aus dem Vergleich der Kraftfelder folgt, dass die repulsiven Tori der Metalladatome kein Artefakt der Verbiegung des CO-Moleküls an der Spitze sind, sondern durch attraktive Kräfte über dem Zentrum dieser Adatome gebildet werden, die durch eine Hybridisierung von Zuständen des CO-Moleküls mit denen der Metalladatome entstehen.

Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass die derzeit verbreitet verwendeten Kraftentfaltungsmethoden, die aus der Frequenzverschiebung als Funktion des Abstands die dazugehörige Kraftkurve berechnen, nicht für jedes beliebige Kraft-Abstands-Gesetz gültig sind. Grund dafür ist ein Inversionsproblem, das schlecht gestellt sein kann. Anhand der Analyse des Problems wurde ein Test erarbeitet, mit dem die Gültigkeit der Kraftentfaltung überprüft werden kann.

With frequency-modulation atomic force microscopy it is possible to image a sample with subatomic resolution using a metal tip terminated by a carbon monoxide (CO) molecule: single copper and iron adatoms on a Cu(111) surface appear as repulsive tori for small tip-sample distances. Silicon adatoms, however, are imaged as repulsive bumps as expected.

This work presents studies of why these two metal adatoms appear as tori but the silicon adatom does not. For this, three-dimensional force fields between each single adatom and CO-terminated tips were measured and compared to simulations using the Probe Particle Model and calculations based on density functional theory. In order to have a common distance reference for all methods, a new method was proposed to determine the absolute distance between tip and sample in the experiment which is not known a priori. The comparison of the force fields shows that the repulsive tori seen for the metal adatoms are not an artifact of CO bending but caused by attractive forces above the center of these adatoms which are the result of a hybridization of CO states with states of the corresponding metal adatom.

Furthermore, this works reveals that force deconvolution methods which are widely used to convert frequency shift vs. distance curves to their corresponding force-distance curve are not universally valid. The reason is that force deconvolution can be an ill-posed inversion problem. Based on the analysis of this issue, a test was developed which allows one to check if the force deconvolution is valid or not.