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Die Oberflächenphysik ist ein Teilgebiet der Festkörperphysik und beschäftigt sich mit der Topographie der Geometrie der
Oberflächenphysik
Die Oberflächenphysik ist ein Teilgebiet der Festkörperphysik und beschäftigt sich mit der Topographie, der Geometrie, der Bandstruktur und der Adsorption von Stoffen an Oberflächen von Festkörpern.
Das Fehlen von Bindungspartnern zu einer Seite veranlasst die Atome an der Oberfläche durch Ändern ihrer Bindungslänge zu tiefer liegenden Schichten (Relaxation) oder durch Umordnung ihrer Positionen und Absättigen offener Bindungen (Rekombination) einen energetisch günstigeren Zustand einzunehmen. Oberflächenstrukturen können daher eine andere Periodizität aufweisen als tiefer liegende Schichten.
Siehe auch: Oberflächenenergie
Nahe der Oberfläche ist die Bandstruktur gestört bzw. unterbrochen. Oberflächenzustände erlauben Elektronen in den Bandlücken untypische Energiezustände anzunehmen. Oberflächeneffekte führen in realen Kristallen zu besonderen lokalisierten Zuständen. An Oberflächen treten Ladungsungleichgewichte auf, deren elektrostatische Effekte Einfluss auf die Funktion von Halb- und Nichtleitern haben.
Geometrie und Oberfläche
Unter der Oberfläche eines kristallinen Festkörpers versteht man den Bereich der Grenzfläche, in dem sich die geometrische und elektronische Struktur wesentlich von der des Volumen-Festkörpers unterscheidet, das sind im Wesentlichen einige wenige Atomlagen von der Grenzfläche aus gezählt.
Die Geometrie der Oberfläche wird mit zweidimensionaler Kristallographie beschrieben. Statt der 14 Bravais-Gitter im Dreidimensionalen gibt es in zwei Dimensionen nur fünf Bravais-Gitter, das Parallelogramm-, Quadrat-, Rechteck-, hexagonale und das rechteckig-flächenzentrierte Gitter.
Elementarprozesse an der Oberfläche
Adsorption eines Stoffes an einer Oberfläche bedeutet, dass sich Atome oder Moleküle aus der Gasphase auf der Oberfläche anlagern und dort durch Van-der-Waals-Kräfte (Physisorption) oder chemische Bindungen (Chemisorption) gebunden werden. Daher sind alle Festkörper an Luft von mindestens einer ganzen Lage Moleküle oder Atome bedeckt. Selbst einzelne Fremdatome können die Eigenschaften von Oberflächen verändern. Um dies zu vermeiden, werden die meisten Experimente unter starkem Vakuum, meistens Ultrahochvakuum, durchgeführt.
- Physisorbate sind meist sehr schwach gebunden, daher muss der Festkörper zur Untersuchung von Physisorbaten zumindest mit flüssigem Stickstoff, oft sogar mit flüssigem Helium gekühlt werden. Sie können durch Heizen auf relativ tiefe Temperaturen desorbiert, d. h., von der Oberfläche abgedampft, werden.
- Chemisorbate sind meist stärker gebunden und manche können bei Raumtemperatur untersucht werden, für schwächer gebundene Chemisorbate ist eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff ausreichend.
Desorption ist der gegensätzliche Vorgang zur Adsorption, bei dem angelagerte Atome oder Moleküle die Bindungsenergie der Oberfläche überwinden und den Festkörper verlassen. Durch unterschiedliche Kinetik von Adsorption und Desorption lassen sich komplexe Heterostrukturen im Nichtgleichgewicht erzeugen.
Diffusion tritt sowohl innerhalb einer Lage als auch zwischen mehreren Lagen auf. Zwischen den einzelnen Gitterplätzen entstehen Diffusionsbarrieren, insbesondere oberhalb der Stufe von zwei Schichten. Diese Position ist energetisch besonders ungünstig, daher kommt es zur Ausbildung der Ehrlich-Schwöbel-Barriere. Unterhalb der Stufe ist die Bindungskraft dafür umso stärker.
Außerdem entstehen bei komplexen Molekülsystemen thermodynamische Freiheitsgrade.
Verfahren
Folgende spektroskopischen Methoden kommen in der Oberflächenphysik zur Anwendung: Atomspektroskopien:
- Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)
- Photoelektronenspektroskopie (PES)
- Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS)
- Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)
- Photoelektronenbeugung (PED)
- Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM)
- / (PAX)
- Ionenstreuspektroskopie
- Niederenergetische Ionenstreuspektroskopie (LEIS)
- (MEIS)
- Hochenergetische Ionenstreuspektroskopie (HEIS)
Massenspektrometrie:
- Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)
- Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS)
Molekülspektroskopien:
- Infrarotspektroskopie (IR)
- Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS)
Rastersondenmikroskopien:
- Optische Rasternahfeldmikroskopie (SNOM)
- Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM)
- Rastertunnelmikroskopie (STM)
- Rasterkraftmikroskopie (AFM)
Weitere:
- Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED)
- Beugung hochenergetischer Elektronen (RHEED)
- Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA)
- Feldelektronenmikroskop (FEM)
- Feldionenmikroskop (FIM)
- Heliumatomstrahlstreuung (HAS)
- Helium-Ionen-Mikroskopie (SHIM)
- Metastabilen-Einschlag-Elektronenspektroskopie (MIES)
- Niederenergetisches Elektronenmikroskop (LEEM)
- Photoakustische Spektroskopie (PAS)
- Rasterelektronenmikroskop (REM)
- Röntgenabsorptionsspektroskopie: Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) und SEXAFS
- Temperatur-programmierte Desorption (TPD), auch Thermische Desorptionsspektroskopie (TDS) genannt
- Oberflächensensitive Röntgenbeugung (SXRD)
Siehe auch
Literatur
- H. Lüth: Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films. Springer Verlag; München, Berlin 2001, ISBN 3-540-42331-1.
- K. Oura, V.G. Lifshits, A.A. Saranin, A.V. Zotov, M. Katayama: Surface Science. Springer Verlag, Heidelberg 2003, ISBN 3-540-00545-5.
- S. Kowarik, K. Broch, F. Schreiber: Beim Wachstum zusehen. In: Physik Journal 13 (2014) Nr. 12 Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2014, ISSN 1617-9439.
Weblinks
- Surface Science Forschungsberichte
- Institut für Oberflächenchemie und Katalyse Universität Ulm
- Simulation zur Diffusion an Oberflächen
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Die Oberflachenphysik ist ein Teilgebiet der Festkorperphysik und beschaftigt sich mit der Topographie der Geometrie der Bandstruktur und der Adsorption von Stoffen an Oberflachen von Festkorpern source source source source source source Der Lotoseffekt tritt bei hydrophoben Oberflachen auf diese Eigenschaft kann durch den mikroskopischen Aufbau der Oberflache verstarkt werden Das Fehlen von Bindungspartnern zu einer Seite veranlasst die Atome an der Oberflache durch Andern ihrer Bindungslange zu tiefer liegenden Schichten Relaxation oder durch Umordnung ihrer Positionen und Absattigen offener Bindungen Rekombination einen energetisch gunstigeren Zustand einzunehmen Oberflachenstrukturen konnen daher eine andere Periodizitat aufweisen als tiefer liegende Schichten Siehe auch Oberflachenenergie Nahe der Oberflache ist die Bandstruktur gestort bzw unterbrochen Oberflachenzustande erlauben Elektronen in den Bandlucken untypische Energiezustande anzunehmen Oberflacheneffekte fuhren in realen Kristallen zu besonderen lokalisierten Zustanden An Oberflachen treten Ladungsungleichgewichte auf deren elektrostatische Effekte Einfluss auf die Funktion von Halb und Nichtleitern haben Siehe auch OberflachenchemieGeometrie und OberflacheUnter der Oberflache eines kristallinen Festkorpers versteht man den Bereich der Grenzflache in dem sich die geometrische und elektronische Struktur wesentlich von der des Volumen Festkorpers unterscheidet das sind im Wesentlichen einige wenige Atomlagen von der Grenzflache aus gezahlt Die Geometrie der Oberflache wird mit zweidimensionaler Kristallographie beschrieben Statt der 14 Bravais Gitter im Dreidimensionalen gibt es in zwei Dimensionen nur funf Bravais Gitter das Parallelogramm Quadrat Rechteck hexagonale und das rechteckig flachenzentrierte Gitter Elementarprozesse an der OberflacheOberflachenprozesse beim Wachstum von C60 Fullerenen Adsorption eines Stoffes an einer Oberflache bedeutet dass sich Atome oder Molekule aus der Gasphase auf der Oberflache anlagern und dort durch Van der Waals Krafte Physisorption oder chemische Bindungen Chemisorption gebunden werden Daher sind alle Festkorper an Luft von mindestens einer ganzen Lage Molekule oder Atome bedeckt Selbst einzelne Fremdatome konnen die Eigenschaften von Oberflachen verandern Um dies zu vermeiden werden die meisten Experimente unter starkem Vakuum meistens Ultrahochvakuum durchgefuhrt Physisorbate sind meist sehr schwach gebunden daher muss der Festkorper zur Untersuchung von Physisorbaten zumindest mit flussigem Stickstoff oft sogar mit flussigem Helium gekuhlt werden Sie konnen durch Heizen auf relativ tiefe Temperaturen desorbiert d h von der Oberflache abgedampft werden Chemisorbate sind meist starker gebunden und manche konnen bei Raumtemperatur untersucht werden fur schwacher gebundene Chemisorbate ist eine Kuhlung mit flussigem Stickstoff ausreichend Desorption ist der gegensatzliche Vorgang zur Adsorption bei dem angelagerte Atome oder Molekule die Bindungsenergie der Oberflache uberwinden und den Festkorper verlassen Durch unterschiedliche Kinetik von Adsorption und Desorption lassen sich komplexe Heterostrukturen im Nichtgleichgewicht erzeugen Diffusion tritt sowohl innerhalb einer Lage als auch zwischen mehreren Lagen auf Zwischen den einzelnen Gitterplatzen entstehen Diffusionsbarrieren insbesondere oberhalb der Stufe von zwei Schichten Diese Position ist energetisch besonders ungunstig daher kommt es zur Ausbildung der Ehrlich Schwobel Barriere Unterhalb der Stufe ist die Bindungskraft dafur umso starker Ausserdem entstehen bei komplexen Molekulsystemen thermodynamische Freiheitsgrade VerfahrenFolgende spektroskopischen Methoden kommen in der Oberflachenphysik zur Anwendung Atomspektroskopien Auger Elektronen Spektroskopie AES Photoelektronenspektroskopie PES Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie UPS Rontgenphotoelektronenspektroskopie XPS Photoelektronenbeugung PED Photoemissionselektronenmikroskopie PEEM PAX Ionenstreuspektroskopie Niederenergetische Ionenstreuspektroskopie LEIS MEIS Hochenergetische Ionenstreuspektroskopie HEIS Massenspektrometrie Sekundarionen Massenspektrometrie SIMS Sekundar Neutralteilchen Massenspektrometrie SNMS Molekulspektroskopien Infrarotspektroskopie IR Elektronen Energieverlust Spektroskopie EELS Rastersondenmikroskopien Optische Rasternahfeldmikroskopie SNOM Rastertransmissionselektronenmikroskopie STEM Rastertunnelmikroskopie STM Rasterkraftmikroskopie AFM Weitere Beugung niederenergetischer Elektronen LEED Beugung hochenergetischer Elektronen RHEED Elektronenstrahlmikroanalyse EPMA Feldelektronenmikroskop FEM Feldionenmikroskop FIM Heliumatomstrahlstreuung HAS Helium Ionen Mikroskopie SHIM Metastabilen Einschlag Elektronenspektroskopie MIES Niederenergetisches Elektronenmikroskop LEEM Photoakustische Spektroskopie PAS Rasterelektronenmikroskop REM Rontgenabsorptionsspektroskopie Rontgen Nahkanten Absorptions Spektroskopie NEXAFS und SEXAFS Temperatur programmierte Desorption TPD auch Thermische Desorptionsspektroskopie TDS genannt Oberflachensensitive Rontgenbeugung SXRD Siehe auchOberflachenchemieLiteraturH Luth Solid Surfaces Interfaces and Thin Films Springer Verlag Munchen Berlin 2001 ISBN 3 540 42331 1 K Oura V G Lifshits A A Saranin A V Zotov M Katayama Surface Science Springer Verlag Heidelberg 2003 ISBN 3 540 00545 5 S Kowarik K Broch F Schreiber Beim Wachstum zusehen In Physik Journal 13 2014 Nr 12 Wiley VCH Verlag Weinheim 2014 ISSN 1617 9439 WeblinksSurface Science Forschungsberichte Institut fur Oberflachenchemie und Katalyse Universitat Ulm Simulation zur Diffusion an OberflachenNormdaten Sachbegriff GND 4134881 3 GND Explorer lobid OGND AKS