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OberflächenchemieOberflächenchemie (engl. surface chemistry, surface science) ist ein Teilgebiet der Physikalischen Chemie, bei dem die chemischen und strukturellen Vorgänge untersucht werden, die sich an Grenzflächen, meist fest/gasförmig, abspielen. Dabei werden oberflächensensitive analytische Methoden angewendet, für die in den letzten Jahrzehnten mehrere Nobelpreise vergeben wurden. Da die untersuchten Strukturen im Nanometerbereich liegen, zählt man die Oberflächenchemie zu den Nanowissenschaften. Weiteres empfehlenswertes FachwissenAnwendungsgebiete
Oberflächenanalytische Methoden werden in der Industrie und in der Grundlagenforschung eingesetzt.
GrundlagenAls Oberfläche (engl.: surface) ist dabei der Bereich eines Festkörpers definiert, in dem sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften (z. B. Struktur, elektronische Eigenschaften) vom Rest (engl.: bulk) unterscheiden, wobei die Abweichung von den Volumeneigenschaften f(x) i. a. exponentiell mit der Entfernung von der Oberfläche x abklingt (proportional zu f(x) = exp( − x)). Das Idealbild einer Oberfläche ist analog zum idealen Festkörper
BravaisgitterEine periodische Anordnung von Atomen oder Molekülen auf einer Oberfläche kann analog zum Festkörper in zwei Dimensionen mit einem Bravais-Gitter beschrieben werden. In 2 Dimensionen gibt es jedoch nur 5 Bravais-Gitter (in drei Dimensionen gibt es 7):
Wobei hexagonale oder rechteckig innenzentrierte Strukturen als Sonderfälle der rautenförmigen Struktur mit bestimmten Winkeln angesehen werden können. EinheitszelleEine Einheitszelle spiegelt die Symmetrie des Bravais-Gitter wider, es besitzt die selben Symmetrieelemente. Auf Grund der Periodizität des Gitters können die Einheitszellen durch einen Translationsvektor aufeinander abgebildet werden. Die Einheitszellen selbst werden durch linear unabhängige Einheitsvektoren und aufgespannt. Dabei gilt:
Man kann das Gitter auch in einen anderen Raum mit anderen Basisvektoren und transformieren. Arbeitet man z. B. mit Beugungsmethoden, misst man die Einheitszelle im reziproken Raum, auch Die Vektoren der Einheitszelle im Ortsraum können u. U. mittels Rastertunnelmikroskopie ermittelt werden. Die gemittelte Größe der Einheitszelle im reziproken Raum erhält man beispielsweise mit der Beugung langsamer Elektronen (LEED) an der Oberfläche. Eine spezielle Art der Einheitszelle ist die Wigner-Seitz-Zelle. Ihr entspricht die Brillouin-Zone 1. Ordnung im k-Raum. Punkte und Geraden im GitterEin Punkt P(x,y,z) im Gitter wird durch einen Vektor vom Ursprung zum Punkt beschrieben. Eine Gerade wird mit einem Vektor beschrieben, der parallel zur Gittergeraden liegt. GitterebenenWenn ein Einkristall bricht, geschieht das häufig entlang der Gitterebene. Dadurch entstehen Oberflächen, die sich je nach 3-dimensionaler Kristallstruktur und Schnittrichtung in ihrer 2-dimensionalen Oberflächenstruktur unterscheiden. Die Schnittebenen können durch die Schnittpunkten a1,a2,a3 der Ebene mit den Achsen des Koordinatensystems beschrieben werden. Die gebräuchlichere Schreibweise ist allerdings die Angabe der Miller-Indizes h,k,l, die das ganzzahlige Vielfache der reziproken Achsenabschnitte sind. z. B. (111), (110), (100) ÜberstrukturenÜberstrukturen sind zusätzliche, größere Strukturen, die sich durch Umordnung oder Adsorption an der Oberfläche bilden. Sie können mit Vektoren a2 und b2 als Vielfache der Basis-Vektoren a1 und b1, durch die Woodsche Nomenklatur oder durch Matrixdarstellung beschrieben werden. OberflächenpräparationBevor eine Oberfläche im mikroskopischen Maßstab reproduzierbar analysiert werden kann, muss sie von Verunreinigungen befreit werden. Um sie vor weiterer Kontamination zu schützen, wird sie im Ultrahochvakuum (UHV) () gehandhabt. Dadurch wird die Flächenstoßrate ni von auftreffenden Molekülen aus der Gasphase verringert. Diese ist
Mögliche Ursachen für Oberflächenkontamination sind z. B.:
Methoden zur OberflächenreinigungWerkstücke tragen nach der Bearbeitung (z. B. Schleifen, Drehen) im Allgemeinen Rückstände, wie Öle, Staub, Abrieb oder Schleifmittel. Diese Rückstände wirken sich meistens negativ auf die Bearbeitungsschritte aus und müssen daher entfernt werden. Typische Verfahren sind:
Techniken zum Aufbringen von weiteren SchichtenAuf eine Oberfläche können weitere Schichten von Atomen oder Molekülen aufgebracht werden, um die Eigenschaften der Grenzfläche zu modifizieren. Dadurch lassen sich z. B. Halbleiterbauelemente in dreidimensionaler Form in einem integrierten Schaltkreis (IC) unterbringen, weil sie durch die Schichten getrennt werden. Ein in der Grundlagenforschung wichtiges Hilfsmittel ist die Chemisorption von Sondenmolekülen, deren Schwingungseigenschaften z. B. Informationen über die Oberfläche geben. Das Aufbringen der Schichten geschieht i. a. mit einer der folgenden Methoden:
Beispiele für Fragestellungen
Oberflächensensitive MethodenUm die Vorgänge an Grenzflächen untersuchen zu können, müssen Methoden verwendet werden, die nur Prozesse in dem Bereich einer Probe „sehen“, der sich in seinen Eigenschaften vom restlichen Festkörper unterscheidet. Dazu werden die Wechselwirkungen von folgenden Wellen/Teilchen mit Materie genutzt:
Die mittleren freien Weglängen von geladenen Teilchen sind auf Grund von Coulomb-Wechselwirkungen i. a. viel kleiner als die von neutralen. Ein weiterer starker Einfluss ist die kinetische Energie der Teilchen; in bestimmten Energiebereichen können Prozesse angeregt werden, was die mittlere freie Weglänge verringert. Entscheidend für die Oberflächensensitivität einer Methode ist, dass entweder das mit der Probe wechselwirkende oder das detektierte Teilchen oder Welle eine geringe mittlere freie Weglänge in der Materie besitzt. Deshalb ist auch für viele Methoden ein Ultrahochvakuum nötig. Die gewählte Methode hängt dabei von der Fragestellung ab. Die folgende Übersicht soll nur einen Überblick geben. Für mehrere Methoden existieren auch verschiedene ortsauflösende Techniken. Für weitere Beschreibung siehe deren Artikel. Jede der Methoden hat Vor- und Nachteile, die beim Experiment berücksicht werden müssen. MikroskopieScanning Probe Microscopy (SPM)
Elektronenmikroskopie
Feldinduzierte Mikroskopie
Spektroskopie
Bei der Spektroskopie handelt es sich allgemein um ein Verfahren bei dem ein Spektrum erzeigt wird, d. h. eine Intensität wird gegen eine der Energie äquivalenten Größe aufgetragen, z. B. Frequenz. ElektronenspektroskopieBei der Elektronenspektroskopie ist die Energie von Elektronen, diejenige Größe, die gegen die Intensität aufgetragen wird. Es gibt folgende Methoden:
Schwingungs-Spektroskopie
Ionen-Spektroskopie
Röntgen-Absorptions-Spektroskopie (XAS)
Weitere Spektroskopiearten
Beugung
Kinetische Methoden
KombinationenBestimmte Strahlungsarten können mehrere Prozesse anregen, die für die jeweilige Methode Vor- und Nachteile bringen kann. Beispielsweise können bei Ionisation durch Röntgenstrahlung gleichzeitig Auger-Elektronen und Photoelektronen entstehen, die sich möglicherweise im Spektrum überlagern und so die Auswertung erschweren. Andererseits werden bei der TEM durch die zusätzliche Emission von Auger- und Photoelektronen, rückgestreute Elektronen, emittierte Partikel und EELS zusätzliche Informationen über die Probe in einer Apparatur gewonnen. Die "Big Four"Als die "Big Four" werden die Messmethoden XPS, AES, SIMS und ISS bezeichnet.
Nobelpreise für Entwicklungen in der Oberflächenchemie
„für seine Entdeckungen und Forschungen im Bereich der Oberflächenchemie“
„für ihre experimentelle Entdeckung der Beugung von Elektronen durch Kristalle“
„für seinen Beitrag zur Entwicklung der hochauflösenden Elektronenspektroskopie“
„für sein fundamentales Werk in der Elektronenoptik und für die Konstruktion des ersten Elektronenmikroskops“
„für ihre Konstruktion des Rastertunnelmikroskops“
„für seine Studien von chemischen Prozessen auf Festkörperoberflächen“
"für die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstands (GMR)" Verwandte Themengebiete
Siehe auch
LiteraturBücher
Zeitschriften
Vorträge
Kategorien: Physikalische Chemie | Oberflächenphysik | Werkstoffkunde | Festkörperphysik | Halbleiter |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Oberflächenchemie aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |