Oberflächenchemie

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.

Siehe auch

Weblinks

Abteilung Oberflächenchemie und Katalyse Universität Ulm