In dieser Arbeit werden Modellsysteme der Wechselwirkung von Atomen, Molekülen und deren Ionen mit Festkörperoberflächen studiert. Die Dissertation besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil werden Experimente zur Streuung von He0 und He+ mit keV Energien unter streifendem Einfall an Al(111), Al(100) und Al(110) vorgestellt. Anteile überlebender Ionen und Verschiebungen der Winkelverteilungen für einlaufende Atome und Ionen sind in guter Übereinstimmung mit theoretischen Auger-Neutralisationsraten und He-1s-Grundzustandsenergieverschiebungen. Damit liegt ein detailliertes mikroskopisches Verständnis dieses Modellsystems der Atom-Oberflächen-Wechselwirkung vor. Die Studien wurden auf Edelgase und Oberflächen mit komplexerer elektronischer Struktur sowie Ionisationsprozesse erweitert. Im zweiten Teil wird die Formierung von doppelt-angeregten He-Atomen bei der Streuung von He2+ an Ni(110) und Fe(110) mittels Autoionisationsspektren studiert. Diese zeigen eine ausgeprägte Sensitivität auf die Belegung der Oberflächen mit Adsorbaten und deren Umordnung, Desorption bzw. Lösung im Volumen des Festkörpers bei Erhöhung der Temperatur. In diesem Rahmen ergibt sich eine alternative Interpretation aktueller Arbeiten, in denen Autoionisationsspektren zur Ableitung der Spin-Polarisation von Ni- und und Fe-Oberflächen verwendet wurden. Im dritten Teil werden Winkelverteilungen, Fragmentspektren und Ladungsanteile für die streifende Streuung von C60-Molekülionen mit an Al(100), Be(0001) und LiF(100) studiert. Es wird gezeigt, dass die elastischen Eigenschaften des Fullerens durch Metalloberflächen stark modifiziert werden. Anhand von Verschiebungen von Winkelverteilungen für einfach- und zweifach-geladene einlaufende Ionen werden erstmalig Abstände des Elektroneneinfangs für positiv geladene Fullerenionen vor Metalloberflächen gemessen. Für LiF(100) treten ausgeprägte Anregungen der Moleküle durch das periodische elektrische Feld der Oberfläche auf. / This work is devoted to the study of model systems for the interaction of atoms, molecules, and their ions with solid surfaces. The thesis consists of three parts. In the first part, He atoms and ions with keV energies are scattered under grazing angles of incidence from Al(111), Al(100), and Al(110). Fractions of surviving ions and shifts of angular distributions for incident atoms and ions, are in good agreement with theoretically calculated Auger neutralization rates and He 1s ground-state energy shifts. A detailed microscopic understanding for a model system of ion-surface interactions is concluded. The studies are extended to noble gas atoms and surfaces with a more complex electronic structure as well as the Auger ionization process. In the second set of experiments, the formation of doubly excited states of He atoms during collisions of He2+ ions with Ni(110) and Fe(110) is studied via autoionization spectra. The electron spectra show a pronounced dependence on the coverage of the target surface with adsorbates. Thermal desorption and dissolution of surface contaminations into the bulk at elevated temperatures provide an alternative interpretation of recent work where the local electron spin polarization of Ni and Fe surfaces was deduced from autoionization spectra. In the third part, angular distributions, fragmentation, and charge fractions are studied for grazing scattering of C60 fullerene ions from Al(100), Be(0001), and LiF(100). A strong perturbation of the elastic properties of the fullerene by a nearby metal surface is demonstrated. Shifts of angular distributions for incident singly and doubly charged ions for the metal surfaces provide the first information on distances of electron transfer for positively charged fullerenes in front of metal surfaces. For the LiF(100) surface, pronounced internal excitations due to interactions with the periodic electric field at the surface are observed.

In dieser Dissertation werden klassische und quantenmechanische Regenbögen in den Winkelverteilungen bei streifender Streuung (Einfallswinkeln ca. 1°) von schnellen Atomen (kinetische Energien im Bereich von keV) entlang niedrig indizierter Kristallrichtungen atomar ebener Festkörperoberflächen untersucht. Die Projektilatome werden dabei entlang der Atomketten der jeweiligen Kristallrichtung geführt (axiale Oberflächen-Gitterführung) und mit einem ortsauflösenden Detektor nachgewiesen. Die resultierenden Streuverteilungen zeigen Intensitätsmaxima, die aufgrund von Regenbogenstreuung entstehen. Über den Vergleich gemessener Regenbogenwinkel mit Trajektoriensimulationen wird das Projektilatom-Oberfläche-Potential untersucht. Für leichte Atome und Moleküle zeigen sich in den Intensitätsverteilungen sogenannte überzählige Regenbögen, die nur durch Interferenz von Materiewellen erklärbar sind. Mit sinkender Energie werden auch diskrete Bragg-Reflexe auflösbar, deren relative Intensität durch die Winkelpositionen der überzähligen Regenbögen bestimmt wird. Das entsprechende Beugungsmuster wird Quanten-Regenbogen genannt. Solche Quanteneffekte wurden bei der Streuung von Atomen mit Energien von einigen keV (De-Broglie-Wellenlänge 10^-4 nm) zuvor weder beobachtet noch erwartet, da eine Erhaltung der Kohärenz bisher ausgeschlossen schien. Die Abhängigkeit der Interferenzmuster von den Streubedingungen wurde detailliert untersucht, mit semiklassischen Näherungen beschrieben und Dekohärenzmechanismen identifiziert. Es wird gezeigt, dass Beugung schneller Atome aufgrund der interferometrischen Natur angewandt werden kann, um die Struktur der Oberfläche und das Wechselwirkungspotential mit bisher nicht erreichter Genauigkeit zu bestimmen. Die Anwendbarkeit dieser Methode wurde an verschiedenen Materialklassen und Adsorbat-Überstrukturen nachgewiesen. / This work is devoted to the study of classical and quantum mechanical rainbows in scattering distributions for grazing scattering (angles of incidence of about 1°) of fast atoms (kinetic energies in the keV range) along low indexed crystal directions of atomically flat solid surfaces. Projectile atoms are steered by strings of atoms of the respective crystal direction (axial surface channeling) and detected by means of a position-sensitive detector. The resulting scattering distributions show intensity maxima due to rainbow scattering. From the comparison of measured rainbow angles with trajectory simulations, projectile surface potentials are investigated. For light atoms and molecules, so-called “supernumerary rainbows” arise in the scattering distributions, which can be explained in terms of interference of matter waves only. With decreasing energy, discrete Bragg peaks appear. Their relative intensity depends on the angular positions of the supernumerary rainbows. The corresponding diffraction pattern is called “quantum surface rainbow”. Such quantum phenomena for scattering of atoms with keV energies (de Broglie wavelength 10^-4 nm) were neither experimentally observed nor predicted, since a persistence of coherence seemed to be impossible. The dependence of the interference patterns on the scattering conditions are investigated in detail, described by semiclassical approximations, and decoherence mechanisms are identified. It is shown that due to its interferometric nature “Fast Atom Diffraction” can be used to deduce the structure of surfaces and the interaction potential with unprecedented accuracy. The feasibility of this method is demonstrated for different classes of materials and superstructures of adsorbates on metal surfaces.