Oberflächenchemie
Oberflächenchemie (englisch 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.
Grundlagen
Als Oberfläche (engl.:
) ist dabei der Bereich eines Festkörpers definiert, in dem sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften (z. B. Struktur, elektronische Eigenschaften) vom Rest (engl.:
) unterscheiden, wobei die Abweichung von den Volumeneigenschaften Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle f(x)} i. a. exponentiell mit der Entfernung von der Oberfläche Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle x} abklingt (proportional zu ).
Das Idealbild einer Oberfläche ist analog zum idealen Festkörper eine streng periodisch in zwei Raumrichtungen unendliche ausgedehnte Anordnung von Atomen oder Molekülen.
Bravaisgitter
Eine periodische Anordnung von Atomen oder Molekülen auf einer Oberfläche kann analog zum Festkörper in zwei Dimensionen mit einem Bravais-Gitter beschrieben werden. In zwei Dimensionen gibt es fünf Bravais-Gitter, die quadratische, die rechteckige, die rechteckig innenzentrierte, die rautenförmige und die hexagonale Struktur, wobei die hexagonalen oder rechteckig innenzentrierte Strukturen als Sonderfälle der rautenförmigen Struktur mit bestimmten Winkeln angesehen werden können.
Einheitszelle
Eine Einheitszelle spiegelt die Symmetrie des Bravais-Gitter wider, es besitzt dieselben Symmetrieelemente. Auf Grund der Periodizität des Gitters können die Einheitszellen durch einen Translationsvektor Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec R} aufeinander abgebildet werden. Die Einheitszellen selbst werden durch linear unabhängige Einheitsvektoren Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec a_1} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec a_2} aufgespannt. Dabei gilt:
Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec R = \vec a_1 + \vec a_2}
Man kann das Gitter auch in einen anderen Raum mit anderen Basisvektoren Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec a_1^*} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec a_2^*} transformieren. Arbeitet man z. B. mit Beugungsmethoden, misst man die Einheitszelle im reziproken Raum, auch k-Raum genannt.
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 Gitter
Ein Punkt Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle P(x,y,z)} im Gitter wird durch einen Vektor Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec P(x,y,z)} vom Ursprung zum Punkt beschrieben. Eine Gerade wird mit einem Vektor beschrieben, der parallel zur Gittergeraden liegt.
Gitterebenen
Wenn 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 Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a_1, a_2, a_3} der Ebene mit den Achsen des Koordinatensystems beschrieben werden. Die gebräuchlichere Schreibweise ist allerdings die Angabe der Miller-Indizes , die das ganzzahlige Vielfache der reziproken Achsenabschnitte sind. z. B. (111), (110), (100)
Überstrukturen
Überstrukturen sind zusätzliche, größere Strukturen, die sich durch Umordnung oder Adsorption an der Oberfläche bilden. Sie können mit Vektoren Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a_2} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle b_2} als Vielfache der Basis-Vektoren Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a_1} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle b_1} , durch die woodsche Nomenklatur oder durch Matrixdarstellung beschrieben werden.
Oberflächenpräparation
Bevor 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 Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle n_i} von auftreffenden Molekülen aus der Gasphase verringert. Diese ist für ein Gasteilchen des Typs Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle i}
- Fehler beim Parsen (Konvertierungsfehler. Der Server („https://wikimedia.org/api/rest_“) hat berichtet: „Cannot get mml. Server problem.“): {\displaystyle n_{i}\approx 2{,}6\cdot 10^{22}{\frac {1}{\mathrm {mbar} }}{\frac {p}{\sqrt {M_{i}\cdot T}}}}
In einer Studie mit einer auf Ag(111) adsorbierten organischen Molekülschicht konnte eine Reaktion mit Sauerstoffgas mittels Rastertunnelmikroskopie direkt im Ortsraum sichtbar gemacht werden.[1]
Mögliche Ursachen für Oberflächenkontamination sind z. B.:
- Adsorption von Luftmolekülen
- Staub
- Wanderung von Teilchen aus dem Probeninneren an die Oberfläche
Oberflächendefekte
Typische nanoskalige Defekte an Einkristalloberflächen [z. B. die Ag(111)-Oberfläche] sind Stufen, Kinken sowie aus Terrassen herausgelöste Atome. Diese können mittels Rastertunnelmikroskopie im atomaren Maßstab sichtbar gemacht werden und sind im Allgemeinen reaktiver als atomar glatte Terrassen.
Methoden zur Oberflächenreinigung
Werkstücke 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:
- Oxidation oder Reduktion der Oberfläche: Überführen der Verunreinigungen in flüchtige Verbindungen. Oxidation kann zur chemischen Umwandlung von Adsorbaten führen, die anschließend leichter desorbiert werden. Beispielsweise kann stark an eine Oberfläche gebundenes CO zu CO2 oxidiert werden, das auf Grund seiner chemischen Struktur nur noch schwach gebunden ist.
- Sputtern mit Argonionen: Beim Sputtern wird die Probe mit Ionen beschossen, die in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Allerdings bilden sich auf dem Substrat mehr oder weniger große „Krater“, die z. B. durch Heizen der Probe geglättet werden können.
- Tempern (Heizen der Probe): Beim Heizen der Probe auf eine bestimmte Temperatur (ca. 1000 K) kann sich das thermodynamische Gleichgewicht einstellen, dabei wird die Oberfläche minimiert, was einer Absenkung der Oberflächenenergie entspricht. Dabei können sich von der Temperatur abhängige Rekonstruktionen oder Strukturen bilden. Diese können in Domänen unterschiedlicher Orientierung vorliegen. Beim Tempern kann es außerdem zu Desorption von Adsorbaten kommen.
Techniken zum Aufbringen von weiteren Schichten
Auf 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 der Dünnschichttechnologie:
- Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
- Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD)
- Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
- Molekularstrahlepitaxie (MBE)
- galvanotechnische Abscheidung
- Oxidation der Oberfläche mit Sauerstoff
- Sol-Gel-Verfahren
Beispiele für Fragestellungen
Beispiele von Fragestellungen in der Oberflächenchemie sind: die elementaren Zusammensetzungen von Oberflächen, Konzentration von Elementen im Oberflächenbereich, die Verteilung von Elementen im Tiefenprofil der Oberfläche sowie die chemische Bindung von Adsorbaten. Auch die Erforschung der Adsorptionskinetik, der Adsorptionsenergie und der Desorptionskinetik sowie der (elektronischen) Struktur an der Grenzfläche und der Schwingungseigenschaften sind Aufgaben der Oberflächenchemie. Des Weiteren beschäftigt sich die Oberflächenchemie mit Reaktionsmechanismen von heterogen katalysierten Reaktionen, erstellt Modelle für katalytische Reaktionen für die Entwicklung von industriellen Katalysatoren und untersucht die Diffusion von Adsorbaten auf Oberflächen (Oberflächendynamik) sowie den Oxidationszustand von Oberflächenatomen.
Oberflächenkoordinationschemie
[Cr(CN)5NO]3− an einer Metalloxid-Hydroxid-Oberfläche
Die Koordinationschemie an Metalloxidoberflächen hat viele Parallelen zur Komplexchemie in Lösungen. Hierbei dienen Oxidionen und insbesondere Hydroxidgruppen, die durch dissoziative Adsorption von Wassermolekülen an der Metalloxidoberfläche entstehen, als Liganden für Metallionen oder Metallionen-Komplexen aus einer angrenzenden Phase. Hierbei können Metallkomplexe durch schwache Wechselwirkungen gebunden werden (outer-sphere-Komplexe) oder die Bindung erfolgt über Austauschreaktionen von Liganden (inner-sphere-Komplexe). Beispiel für eine inner-sphere-Komplexbildung:
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \mathrm{Metall-OH + Fe(H_2O)_6^{2+} \longrightarrow Metall-OFe(H_2O)_5^{+} + H_3O^+}}
Die Herstellung von Oberflächenkomplexen ist für heterogene Katalysatoren von großer Bedeutung.
An der Oberfläche laufen insbesondere auch Säure-Base-Reaktionen ab. Die Hydroxidgruppen können entweder als Brönsted-Säure oder Brönsted–Base reagieren. Je nach Metall liegt dabei eine unterschiedliche Acidität der Brönsted-Säure vor. Solche Oberflächen spielen eine wichtige Rolle als Katalysator für säurekatalysierte Reaktionen in nichtwässrigen Lösungsmitteln und in der Gasphase. Ebenso spielen in der Katalyse Zentren an Metalloxidoberflächen eine Rolle, die als Lewis-Säuren reagieren können. Hierbei nimmt vor allem bei höheren Temperaturen die Anzahl von Metallkationen und damit die Lewis-Acidität zu.
Oberflächensensitive Methoden
Oberflächenanalytische Methoden werden in der Industrie und in der Grundlagenforschung eingesetzt.
- Heterogene Katalyse (z. B. Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak)
- Halbleitertechnologie
- Brennstoffzellenforschung
- Abläufe an Elektroden bei elektrochemischen Reaktionen
- Nanoelektronik, d. h. Herstellung von elektronischen Bauteilen auf Nanometerskala
- Informationsspeicher mit hoher Speicherdichte
- Klebstoffe
- Beständige Beschichtungen von Oberflächen (z. B. Korrosionsschutz)
- Medizintechnische Anwendungen
- Materialforschung, z. B. atomare Zusammensetzung von Oberflächen-Legierungen
- Bestimmte biologische Fragestellungen
Um 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:
| Strahlung/Teilchen | mittlere freie Weglänge im Festkörper/Gas | Beispiele |
|---|---|---|
| Elektronen | klein (Coulomb-Wechselwirkung), abhängig von kinetischer Energie, siehe Universelle Kurve | |
| Photonen | groß (keine Coulomb-Wechselwirkung)[2] | UV-Strahlung, Infrarotstrahlung, Röntgenstrahlung |
| neutrale thermische Atome und Moleküle | keine, Umkehrpunkt vor Oberfläche | Helium-Atome, Wasserstoff-Moleküle |
| Ionen | klein (Coulomb-Wechselwirkung) | |
| magnetische Felder | groß | |
| Wärme | groß |
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 berücksichtigt werden müssen.
Mikroskopie
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Rastertunnelmikroskop (STM) | Elektronische Zustandsdichte (LDOS) und Topographie an der Oberfläche im Ortsraum, Überstrukturen | Elektronen | Tunnelstrom/z-Position der Spitze | Tunneleffekt |
| Rasterkraftmikroskop (AFM) | Topographie an der Oberfläche im Ortsraum | Schwingende Spitze (Cantilever) | Ablenkung eines Laserstrahls (Frequenz-, Phasen- und Amplitudenänderung) | Kraft zwischen AFM-Cantilever und Oberfläche (Pauli-Repulsion, Van-der-Waals-Wechselwirkung) |
| Nahfeldmikroskopie (SNOM) | ||||
| Chemisches Kraftmikroskop (CFM) | ||||
| Magnetkraftmikroskop (MFM) |
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) | Oberflächenstruktur im Ortsraum, Gleitebenen von Kristalliten auf der Oberfläche | Elektronen | Elektronen | Transmission von Elektronen durch eine dünne Probe |
| Raster-Elektronen-Mikroskopie (SEM) | Oberflächenstruktur im Ortsraum, Gleitebenen von Kristalliten auf der Oberfläche | Elektronen | Elektronen | Abrastern der Probe mit Elektronenstrahl |
| Raster-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (STEM) | Oberflächenstruktur im Ortsraum, Gleitebenen von Kristalliten auf der Oberfläche | Elektronen | Elektronen | Kombination aus TEM und SEM |
| Röntgenmikroanalyse (XRMA) | ||||
| Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) | Magnetische Domänenstruktur im Ortsraum | Zirkular polarisierte Röntgenphotonen | Photoelektronen | Photoelektrischer Effekt, vergrößerte Darstellung der emittierten Photoelektronen auf einem Leuchtschirm |
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Feldemissionsmikroskopie (FEM) | Abbildung der Struktur von Spitzen, keine atomare Auflösung | elektrisches Feld ionisiert Spitzenatome | emittierte Elektronen aus der Spitze auf Fluoreszenzschirm | Ionisation, Tunneleffekt |
| Feldionenmikroskopie (FIM) | Abbildung der Struktur von Spitzen, atomare Auflösung | elektrisches Feld, Bildgas | Bildgas mit Fluoreszenzschirm | Ionisation des Bildgases, Tunneleffekt |
| Felddesorption/Feldverdampfung | Abbildung der Struktur von Spitzen | elektrisches Feld | Adatome/Spitzenatome | Desorption von Adatomen der Spitze/Verdampfung von Spitzenmaterial |
| Feldionenmassenspektrometrie | Zusammensetzung von Spitzen | elektrisches Feld, Bildgas | Molare Masse von Spitzenatomen durch Time-of-flight-Massenspektrometer (TOF) | Desorption von Atomen der Spitze, Unterschiedliche Flugzeit bei unterschiedlichen Massen im TOF |
Spektroskopie
Bei der Spektroskopie handelt es sich allgemein um ein Verfahren bei dem ein Spektrum erzeugt wird, d. h., eine Intensität wird gegen eine der Energie äquivalenten Größe aufgetragen, z. B. Frequenz. Bei der Elektronenspektroskopie ist die Energie von Elektronen, diejenige Größe, die gegen die Intensität aufgetragen wird. Es gibt folgende Methoden:
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) | Oxidationszustand und Konzentration von Elementen im Oberflächenbereich | Röntgen-Photonen | Photo-Elektronen | Photoelektrischer Effekt |
| Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) | Oxidationszustand und Konzentration von Elementen im Oberflächenbereich | Röntgen-Photonen oder Elektronen | Auger-Elektronen | Auger-Effekt |
| Ultraviolett-Photoelektronen-Spektroskopie (UPS) | Elektronische Struktur | Photonen im UV-Bereich | Photo-Elektronen | Photoelektrischer Effekt |
| Metastabilen-Einschlag-Elektronenspektroskopie (MIES) | Elektronische Struktur | Metastabile Heliumatome | Auger-Elektronen | Abregung der metastabilen Atome an der Oberfläche; Auger-Effekt |
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Infrarotspektroskopie (IR) | Spektrum, Schwingungsmoden von Adsorbaten (oft Kohlenmonoxid als Sonde) | Infrarot-Photonen | Infrarot-Photonen | Schwingungsanregung von IR-aktiven Banden |
| Ramanspektroskopie | Spektrum, Schwingungsmoden von Adsorbaten | VIS-, NIR-Laser | Rayleigh/Raman-Streuung (VIS, NIR) | Schwingungsanregung von raman-aktiven Banden |
| Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) | Spektrum | Elektronen | Elektronen | Anregung von Prozessen im Festkörper: Phononenanregung, Plasmonenanregung, Ionisation |
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Ionen-Streu-Spektroskopie (ISS=LEIS) | Molare Masse der Oberflächenatome auf der äußersten Lage (qualitativ) | niederenergetische Ionen (oft positive Edelgas- oder Alkalimetallionen) | gestreute Ionen mit einem Massenspektrometer | Elastische Streuung von Ionen an der Oberfläche, Energie- und Impulserhaltung |
| Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS) | Molare Masse der Atome im Tiefenprofil der Oberfläche (quantitativ) | Ionen (oft positive Edelgas- oder Metallionen) | Cluster und Fragmente der Oberfläche, gestreute Ionen mit einem Massenspektrometer | Sputtern der Oberfläche |
| Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) | Zusammensetzung der Oberfläche | hochenergetische Helium-Ionen | ||
| Nukleare Reaktions-Analyse (NRA) | Zusammensetzung der Oberfläche | hochenergetische Ionen oder Neutronen | Zerfallsprodukte von Kernreaktionen | Kernreaktionen |
| Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) |
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| (Surface) Extended X-Ray absorption Fine Structure ((S)EXAFS=XANES) | Informationen über Nahordnung, Bindungslängen, Koordinationszahl | durchstimmbere Röntgen-Photonen (Synchrotronstrahlung) | Röntgen-Photonen | Interferenz von ursprünglichen Photoelektronen und an Nachbaratomen gestreuten Photoelektronen führen zu anderer Wahrscheinlichkeit für Photoelektrischen Effekt |
| X-Ray Absorption near edge Structure (XANES=NEXAFS) | Informationen über Nahordnung, Elektronische Struktur, Oxidationszustand | durchstimmbere Röntgen-Photonen (Synchrotronstrahlung) | Röntgen-Photonen | wie EXAFS aber genauere Auflösung der in Absortionskantennähe |
| Mößbauerspektroskopie | Zusammensetzung, Strukturinformationen, Oxidationszustände, Partikelgröße | Gammastrahlung (meist aus Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle {}^{57}\mathrm{Co}} ) | Gammastrahlung | Mössbauereffekt, Dopplereffekt |
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Raster-Tunnel-Spektroskopie (STS) | Zustandsdichte der Oberflächenregion im Ortsraum | Elektronen, Variation von Ort und Tunnelspannung | Tunnelstrom | Tunneleffekt |
Beugung
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) | Oberflächenstruktur im reziproken Raum, Überstrukturen, 2D-Fernordnung muss vorhanden sein | niederenergetische Elektronen | gebeugte Elektronen | Beugung |
| Röntgenbeugung (XRD) | Gitterstruktur des gesamten Festkörpers im reziproken Raum, 3D-Fernordnung muss vorhanden sein | Röntgen-Photonen | gebeugte Röntgenstrahlung | Beugung |
| MEED | Monolagen-Wachstum in Abhängigkeit von der Zeit, Fernordnung bei voller Monolage muss vorhanden sein | Elektronen | gebeugte Elektronen | Beugung |
| Reflection high energy electron diffraction (RHEED) | in-situ-Strukturanalyse während Deposition, Fernordnung muss vorhanden sein | Elektronen | Elektronen | Beugung mit kleinem Glanzwinkel |
Kinetische Methoden
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Temperatur-programmierte Desorption (TPD) | Ordnung der Desorptions-Kinetik, Anzahl Teilchen pro Monolage | Wärme | Desorbierte Oberflächen-Teilchen | Desorption bei Temperaturerhöhung |
Sorptive Methoden
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| BET-Messung | Größe von Oberflächen | Stickstoff | Adsorption | Adsorption / Desorption bei Temperaturerhöhung |
| Chemisorption | aktive Zentren | Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid | Chemisorption, Adsorption | Chemisorption, Desorption |
Kombinationen
Bestimmte 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“ (dt. »die großen Vier«) werden die Messmethoden XPS, AES, SIMS und ISS bezeichnet.
Nobelpreise für Entwicklungen in der Oberflächenchemie und Oberflächenphysik
| Jahr / Fachgebiet | Person | Nationalität | Begründung für die Preisvergabe |
|---|---|---|---|
| 1932 Chemie |
Irving Langmuir | Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten | „für seine Entdeckungen und Forschungen im Bereich der Oberflächenchemie“ |
| 1937 Physik |
Clinton Davisson und George Paget Thomson |
Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten Vereinigtes Königreich Vereinigtes Königreich |
„für ihre experimentelle Entdeckung der Beugung von Elektronen durch Kristalle“ |
| 1981 Physik |
Kai Manne Siegbahn | Schweden Schweden | „für seinen Beitrag zur Entwicklung der hochauflösenden Elektronenspektroskopie“ |
| 1986 Physik |
Gerd Binnig und Heinrich Rohrer |
Bundesrepublik Deutschland BR Deutschland Schweiz Schweiz |
„für ihre Konstruktion des Rastertunnelmikroskops“ |
| 2007 Chemie |
Gerhard Ertl | Deutschland Deutschland | „für seine Studien von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen“ |
| 2007 Physik |
Albert Fert und Peter Grünberg |
Frankreich Frankreich Deutschland Deutschland |
„für die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstands (GMR)“ |
Verwandte Themengebiete
Siehe auch
- Aktives Zentrum
- Dispersion
- Dosis (Oberflächenchemie)
- Ensemble-Effekt
- Epitaxie
- Fraktale Strukturen, Selbstähnlichkeit
- Langmuir (Einheit)
- Haftkoeffizient
- Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus, Eley-Rideal-Mechanismus, Mars-van-Krevelen-Mechanismus
- Paarkorrelation
- Pressure-Gap, Material-Gap
- Schichtwachstum (Frank-van-der-Merve-Wachstum, Stranski-Krastanov-Wachstum und Volmer-Weber-Wachstum)
- Kristallwachstum, Kristallisationskeim
- Selfassembling Monolayers (SAM)
- Top-down und Bottom-up
- Knudsenzelle
- Schwoebel-Effekt
- 2D-Adgas
- Smoluchowski-Effekt
Literatur
Einzelnachweise
- ↑ Thomas Waldmann, Daniela Künzel, Harry E. Hoster, Axel Groß, R. Jürgen Behm: Oxidation of an Organic Adlayer: A Bird’s Eye View. In: Journal of the American Chemical Society. Band 134, Nr. 21, 30. Mai 2012, S. 8817–8822, doi:10.1021/ja302593v.
- ↑ Oberflächenphysik des Festkörpers (Seite 101)
Bücher
- G. Ertl, J. Küppers: Low Energy Electrons and Surface Chemistry. 2. Auflage. Verlag Chemie, Weinheim 1985, ISBN 3-527-26056-0.
- G. Ertl: Reactions at Solid Surfaces. 1. Auflage. Wiley, New Jersey 2009, ISBN 978-0-470-26101-9.
- Gábor A. Somorjai: Introduction to Surface Chemistry and Catalysis. Wiley, New York 1994, ISBN 0-471-03192-5 (englisch).
Artikel
- Gerhard Ertl: Reaktionen an Oberflächen: vom Atomaren zum Komplexen (Nobel-Vortrag). In: Angewandte Chemie. Band 120, Nr. 19, 2008, S. 3578–3590, doi:10.1002/ange.200800480.
- K. Köhler, C.W. Schläpfer: Koordinationschemie an Oxidoberflächen. In: Chemie in unserer Zeit. 27, Nr. 5, ISSN 0009-2851, 1993, S. 248–255.
Zeitschriften
- Surface Science, Elsevier, ISSN 0039-6028
- Surface Science Letters, Elsevier, ISSN 0167-2584
- Surface Science Reports, Elsevier, ISSN 0167-5729
- Surface Science Spectra, Elsevier, ISSN 1055-5269
- Applied Surface Science, Elsevier, ISSN 0169-4332
- Progress in Surface Science, Elsevier, ISSN 0079-6816
- Applications of Surface Science, Elsevier, ISSN 0378-5963
- ChemPhysChem 11, Special Issue on Surface Phenomena, 2010
Weblinks
- Einführung in die Oberflächenchemie (englisch) (Queen Mary University of London)
- Videodossier des Schweizer Fernsehens zum Thema Nanotechnologie (Memento vom 10. September 2010 im Internet Archive)
- Oberflächenchemie in Reinform. tagesschau.de, archiviert vom Original am 12. Februar 2013; abgerufen am 11. April 2015.
- Richard Feynman: There’s Plenty of Room at the Bottom Vortrag am Caltech, 1959.
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