Oberflächenchemie (engl. surface chemistry, surface science) ist ein wissenschaftliches Grenzgebiet aus Festkörperphysik und Chemie, bei dem die chemischen und strukturellen Vorgänge untersucht werden, die sich an Grenzflächen, meist fest-flüssig oder fest-gasförmig, abspielen. Dabei werden oberflächensensitive analytische Methoden angewendet. Als Oberfläche (engl.: surface) ist dabei der Bereich eines Festkörpers definiert, in dem sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften vom Rest (engl.: bulk) unterscheiden.
Anwendungsgebiete
Oberflächenanalytische Methoden werden in der Industrie und in der Grundlagenforschung eingesetzt.
Beispiele für Fragestellung
- Elementare Zusammensetzungen von Oberflächen
- Konzentration von Elementen im Oberflächenbereich
- Verteilung von Elementen im Tiefenprofil der Oberfläche
- Chemischer Bindungszustand von Adsorbaten
- Oxidationszustand von Oberflächenatomen
- ...
Oberflächensensitive Methoden
Um die Vorgänge an Grenzflächen untersuchen zu können, müssen Methoden verwendet werden, die nur Prozesse in dem Bereich einer Probe "sehen", der sich von 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), abh. von kinetische Energie siehe "Universelle Kurve" | |
| Photonen | gross keine Coulomb-Wechselwirkung) | UV-Strahlung, Infrarotstrahlung, Röntgenstrahlung |
| neutrale Teilchen | gross (keine Coulomb-Wechselwirkung) | Neutronen |
| 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 auf 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 ist 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.
Scanning Probe Microscopy (SPM)
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Rastertunnelmikroskop (STM) | Elektronische Zustandsdichte an der Oberfläche im Ortsraum, Überstrukturen | Elektronen | Tunnelstrom/z-Position der Spitze | Tunneleffekt |
| Rasterkraftmikroskop (AFM) | Oberflächenstruktur im Ortsraum | Schwingende Spitze | Ablenkung eines Laserstrahls (Frequenz-, Phasen- und Amplitudenänderung) | Van-der-Waals-Wechselwirkung mit Probe |
| Nahfeldmikroskopie (SNOM) | ||||
| Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) |
Elektronenmikroskopie
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) | Oberflächenstruktur im Ortsraum, Netzebenen | Elektronen | Elektronen | Transmission von Elektronen durch eine dünne Probe |
| Raster-Elektronen-Mikroskopie (SEM) | Oberflächenstruktur im Ortsraum, Kristallstruktur von Kristalliten auf der Oberfläche | Elektronen | Elektronen | Abrastern der Probe mit Elektronenstrahl |
| Raster-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (STEM) | Elektronen | Elektronen | ||
| Röntgenmikroanalyse (XRMA) | ||||
| Elektronen Energieverlust-Spektroskopie (EELS) | Spektrum | Elektronen | Elektronen | Anregung von Prozessen im Festkörper: Plasmonenanregung, Ionisation |
Elektronenspektroskopie
| 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 |
| Ultraviolet-Photoelektronen-Spektroskopie (UPS) | Photonen im UV-Bereich | Photo-Elektronen | Photoelektrischer Effekt | |
| Metastabilen-Einschlag-Elektronenspektroskopie (MIES) |
Beugung
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) | Oberflächenstruktur im reziproken Raum, Überstrukturen, 2-d-Fernordnung muss vorhanden sein | niederenergetische Elektronen | gebeugte Elektronen | Beugung |
| Röntgenbeugung (XRD) | Gitterstruktur der gesamten Festkörpers im reziproken Raum, 3-d-Fernordnung muss vorhanden sein | Röntgen-Photonen | gebeugte Röntgenstrahlung | Beugung |
| MEED | Monolagen-Wachstum in Abhängigkeit der Zeit, Fernordnung bei voller Monolage muss vorhanden sein | Elektronen | gebeugte Elektronen | Beugung |
| Reflection high energy electron diffraction (RHEED) | in-situ Strukturanaylse während Deposition, Fernordnung muss vorhanden sein | Elektronen | Elektronen | Beugung mit kleinem Glanzwinkel |
Schwingungs-Spektroskopie
| 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 | Infrarot-Photonen | Infrarot-Photonen | Schwingungsanregung von raman-aktiven Banden |
Ionen-Spektroskopie
| 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) |
Feldinduzierte Mikroskopie
| Methode | Erhaltene Informationen | eingesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| Feldemissionsmikroskopie (FEM) | Abbildung der Struktur von Spitzen, keine atomate Auflösung | elektrisches Feld ionisiert Spitzenatome | emitierte Elektronen aus der Spitze auf Fluoreszenzschirm | Ionisation, Tunneleffekt |
| Feldionenmikroskopie (FEM) | Abbildung der Struktur von Spitzen, atomate 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 |
| Methode | Erhaltene Informationen | engesetztes Teilchen/Welle | detektierte Größe/Teilchen/Welle | ausgenutzter Effekt |
|---|---|---|---|---|
| (Surface) Extended X-Ray absorption Fine Structure ((S)EXAFS=XANES) | Informationen über Nahordnung | durchstimmbere Röntgen-Photonen (Synchrotronstrahlung) | Röntgen-Photonen | Interferenz von ursprünglichen Photoelektronen und an Nachbaratomen gestreuten Photoelektronen führen zu anderer Wahrscheinlichkeit für Photoelektrischen Effekt |
| Massenspektrometrie (MS) | Massen der detektierten Teilchen | Ionisation von Teilchen, Trennung im elektrischen Feld | ||
Die "Big Four"
Die vier am häufigsten verwendeten Verfahren, die sogenannten "Big Four" sind XPS, AES, SIMS und RBS.