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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.

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen


Als 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 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 {\vec {R}} aufeinander abgebildet werden. Die Einheitszellen selbst werden durch linear unabhängige Einheitsvektoren {\vec a}_{1} und {\vec a}_{2} aufgespannt. Dabei gilt:

{\vec R}={\vec a}_{1}+{\vec a}_{2}

Man kann das Gitter auch in einen anderen Raum mit anderen Basisvektoren {\vec a}_{1}^{*} und {\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 P(x,y,z) im Gitter wird durch einen Vektor {\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 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 h,k,l, 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 a_2 und b_2 als Vielfache der Basis-Vektoren a_{1} und 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) (p<10^{{-10}}\,{\mathrm {hPa}}) gehandhabt. Dadurch wird die Flächenstoßrate n_{i} von auftreffenden Molekülen aus der Gasphase verringert. Diese ist für ein Gasteilchen des Typs i

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.:

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:

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:

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


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:

{\displaystyle \mathrm {Metall-OH+Fe(H_{2}O)_{6}^{2+}\longrightarrow Metall-OFe(H_{2}O)_{5}^{+}+H_{3}O^{+}} }

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.

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

Rastersondenmikroskopie
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)
Elektronenmikroskopie
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
Feldinduzierte Mikroskopie
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:

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
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
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 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
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)
Röntgen-Absorptions-Spektroskopie (XAS)
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 {}^{{57}}{\mathrm {Co}}) Gammastrahlung Mössbauereffekt, Dopplereffekt
Weitere Spektroskopiearten
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 48Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten „für seine Entdeckungen und Forschungen im Bereich der Oberflächenchemie“
1937
Physik
Clinton Davisson und
George Paget Thomson
Vereinigte Staaten 48Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten
Vereinigtes KonigreichVereinigtes Königreich Vereinigtes Königreich
„für ihre experimentelle Entdeckung der Beugung von Elektronen durch Kristalle“
1981
Physik
Kai Manne Siegbahn SchwedenSchweden Schweden „für seinen Beitrag zur Entwicklung der hochauflösenden Elektronenspektroskopie
1986
Physik
Gerd Binnig und
Heinrich Rohrer
Deutschland BundesrepublikBundesrepublik Deutschland BR Deutschland
SchweizSchweiz Schweiz
„für ihre Konstruktion des Rastertunnelmikroskops
2007
Chemie
Gerhard Ertl DeutschlandDeutschland Deutschland „für seine Studien von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen“
2007
Physik
Albert Fert und
Peter Grünberg
Frankreich Frankreich
DeutschlandDeutschland Deutschland
„für die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstands (GMR)“

Verwandte Themengebiete


Siehe auch


Literatur


Einzelnachweise

  1. 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 .
  2. Oberflächenphysik des Festkörpers (Seite 101)

Bücher

Artikel

Zeitschriften

Weblinks





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