Oberflächenforschung – Wikipedia

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In der Oberflächenwissenschaft werden physikalische und chemische Phänomene untersucht, die an der Grenzfläche zweier Phasen auftreten, darunter Fest-Flüssig-Grenzflächen, Fest-Gas-Grenzflächen, Fest-Vakuum-Grenzflächen und Flüssig-Gas-Grenzflächen. Es umfasst die Bereiche Oberflächenchemie und Oberflächenphysik . [1] Einige verwandte praktische Anwendungen werden als Oberflächentechnik eingestuft. Die Wissenschaft umfasst Konzepte wie heterogene Katalyse, Herstellung von Halbleiterbauelementen, Brennstoffzellen, selbstorganisierte Monoschichten und Klebstoffe. Die Oberflächenwissenschaften sind eng mit der Grenzflächen- und der Kolloidwissenschaft verwandt. [2] Die Chemie und die Physik der Grenzflächen sind für beide gemeinsame Fächer. Die Methoden sind unterschiedlich. Darüber hinaus untersucht die Grenzflächen- und Kolloidwissenschaft makroskopische Phänomene, die in heterogenen Systemen aufgrund von Besonderheiten von Grenzflächen auftreten.

Geschichte Bearbeiten

Das Gebiet der Oberflächenchemie begann mit einer heterogenen Katalyse, die von Paul Sabatier über die Hydrierung und Fritz Haber über den Haber-Prozess entwickelt wurde. [3] Irving Langmuir war auch einer davon von den Gründern dieses Gebietes und der wissenschaftlichen Zeitschrift für Oberflächenwissenschaften, Langmuir trägt seinen Namen. Die Langmuir-Adsorptionsgleichung wird verwendet, um die Monoschichtadsorption zu modellieren, bei der alle Oberflächenadsorptionsstellen die gleiche Affinität für die adsorbierende Spezies aufweisen und nicht miteinander wechselwirken. Gerhard Ertl beschrieb 1974 erstmals die Adsorption von Wasserstoff auf einer Palladiumoberfläche mit einer neuartigen Technik namens LEED. [4] Ähnliche Untersuchungen mit Platin [5] Nickel [6][7] und Eisen [8] folgten. Zu den jüngsten Entwicklungen in den Oberflächenwissenschaften gehört insbesondere die Weiterentwicklung der Oberflächenchemie durch den Nobelpreis des Chemie-Preisträgers Gerhard Ertl im Jahr 2007
seine Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Kohlenmonoxidmolekülen und Platinoberflächen.

Chemie [

Die Oberflächenchemie kann grob als Untersuchung chemischer Reaktionen an Grenzflächen definiert werden. Es ist eng mit der Oberflächentechnik verwandt, die darauf abzielt, die chemische Zusammensetzung einer Oberfläche durch Einbau ausgewählter Elemente oder funktioneller Gruppen zu verändern, die verschiedene gewünschte Effekte oder Verbesserungen der Eigenschaften der Oberfläche oder Grenzfläche bewirken. Die Oberflächenwissenschaften sind für die Bereiche heterogene Katalyse, Elektrochemie und Geochemie von besonderer Bedeutung.

Katalyse [

Das Anhaften von Gas- oder Flüssigkeitsmolekülen an der Oberfläche wird als Adsorption bezeichnet. Dies kann entweder auf eine Chemisorption oder eine Physisorption zurückzuführen sein, und die Stärke der molekularen Adsorption an einer Katalysatoroberfläche ist für die Leistung des Katalysators von entscheidender Bedeutung (siehe Sabatier-Prinzip). Es ist jedoch schwierig, diese Phänomene an realen Katalysatorteilchen mit komplexen Strukturen zu untersuchen. Stattdessen werden häufig gut definierte Einkristalloberflächen von katalytisch aktiven Materialien wie Platin als Modellkatalysatoren verwendet. Mehrkomponenten-Materialsysteme dienen zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen katalytisch aktiven Metallpartikeln und Trägeroxiden. Diese werden durch Züchten von ultradünnen Filmen oder Partikeln auf einer Einkristalloberfläche hergestellt. [9]

Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Struktur und chemischem Verhalten dieser Oberflächen werden mit Ultrahochvakuumtechniken untersucht, einschließlich Adsorption und temperaturprogrammierter Desorption von Moleküle, Rastertunnelmikroskopie, energiearme Elektronenbeugung und Auger-Elektronenspektroskopie. Die Ergebnisse können in chemische Modelle eingespeist oder für das rationale Design neuer Katalysatoren verwendet werden. Reaktionsmechanismen können auch aufgrund der atomaren Genauigkeit von oberflächenwissenschaftlichen Messungen geklärt werden. [10]

Elektrochemie

Elektrochemie ist die Untersuchung von Prozessen, die durch ein angelegtes Potential an einer getrieben werden Fest-Flüssig- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche. Das Verhalten einer Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche wird durch die Verteilung der Ionen in der flüssigen Phase neben der die elektrische Doppelschicht bildenden Grenzfläche beeinflusst. Adsorptions- und Desorptionsereignisse können an atomar flachen Einkristalloberflächen als Funktion des angelegten Potentials, der Zeit und der Lösungsbedingungen mithilfe von Spektroskopie, Rastersondenmikroskopie [11] und Oberflächenröntgenstreuung untersucht werden. [12][13] Diese Studien verbinden traditionelle elektrochemische Techniken zyklische Voltammetrie zur direkten Beobachtung von Grenzflächenprozessen.

Geochemie

Geologische Phänomene wie der Eisenzyklus und die Bodenverunreinigung werden durch die Grenzflächen zwischen Mineralien und ihrer Umgebung gesteuert. Die atomare Struktur und die chemischen Eigenschaften von Grenzflächen zwischen Mineralien und Lösungen werden unter Verwendung von in situ Synchrotron-Röntgentechniken wie Röntgenreflexionsvermögen, stehende Röntgenwellen und Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht als Rastersondenmikroskopie. Untersuchungen der Adsorption von Schwermetallen oder Aktiniden auf mineralischen Oberflächen zeigen molekulare Details der Adsorption auf, die genauere Vorhersagen darüber ermöglichen, wie sich diese Verunreinigungen durch den Boden bewegen [14] oder natürliche Auflösungs-Niederschlags-Zyklen stören [15]

. Physik [ edit ]

Die Oberflächenphysik kann grob als Untersuchung physikalischer Wechselwirkungen an Grenzflächen definiert werden. Es überschneidet sich mit der Oberflächenchemie. Einige der in der Oberflächenphysik untersuchten Themen sind Reibung, Oberflächenzustände, Oberflächendiffusion, Oberflächenrekonstruktion, Oberflächenphononen und -plasmonen, Epitaxie, die Emission und das Tunneln von Elektronen, Spintronik und die Selbstorganisation von Nanostrukturen auf Oberflächen. Techniken zur Untersuchung von Prozessen an Oberflächen umfassen Oberflächenröntgenstreuung, Rastersondenmikroskopie, oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS).

Analysetechniken

Die Untersuchung und Analyse von Oberflächen umfasst sowohl physikalische als auch chemische Analysetechniken.

Mehrere moderne Methoden untersuchen die obersten 1–10 nm von Oberflächen, die Vakuum ausgesetzt sind. Diese umfassen Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Auger-Elektronenspektroskopie, Niedrigenergie-Elektronenbeugung, Elektronenenergieverlustspektroskopie, thermische Desorptionsspektroskopie, Ionenstreuungsspektroskopie, Sekundärionenmassenspektrometrie, Doppelpolarisationsinterferometrie und andere in der Liste von enthaltene Oberflächenanalysemethoden Methoden der Materialanalyse. Viele dieser Techniken erfordern Vakuum, da sie auf dem Nachweis von Elektronen oder Ionen beruhen, die von der zu untersuchenden Oberfläche emittiert werden. Darüber hinaus ist es im Allgemeinen im Ultrahochvakuum im Bereich von 10 –7 Pascal-Druck oder besser erforderlich, die Oberflächenkontamination durch Restgas zu verringern, indem die Anzahl der Moleküle, die die Probe über einen bestimmten Zeitraum erreichen, verringert wird Zeitraum. Bei 0,1 mPa (10 – 6 Torr) Partialdruck einer Verunreinigung und Standardtemperatur dauert es nur in der Größenordnung von 1 Sekunde, um eine Oberfläche mit einer 1: 1-Monoschicht von Verunreinigung auf Oberflächenatomen zu bedecken Für Messungen werden so viel niedrigere Drücke benötigt. Dies ergibt sich aus einer Größenordnungsschätzung für die (zahlen-) spezifische Oberfläche von Materialien und der Aufprallratenformel aus der kinetischen Theorie der Gase.

Rein optische Techniken können verwendet werden, um Grenzflächen unter einer Vielzahl von Bedingungen zu untersuchen. Reflexions-Absorptions-Infrarot-, Doppelpolarisations-Interferometrie-, oberflächenverstärkte Raman- und Summenfrequenz-Generierungsspektroskopien können verwendet werden, um Fest-Vakuum- sowie Fest-Gas-, Fest-Flüssig- und Flüssig-Gas-Oberflächen zu untersuchen. Die multiparametrische Oberflächenplasmonenresonanz arbeitet in Festgas-, Fest-Flüssig- und Flüssiggasoberflächen und kann sogar Schichten im Subnanometerbereich nachweisen. [16] Sie untersucht die Wechselwirkungskinetik sowie dynamische Strukturänderungen wie den Liposomenkollaps. [17] oder Quellen von Schichten mit unterschiedlichem pH. Die Dual-Polarisations-Interferometrie dient zur Quantifizierung der Ordnung und der Störung in doppelbrechenden Dünnfilmen. [18] Diese wurde zum Beispiel verwendet, um die Bildung von Lipiddoppelschichten und deren Wechselwirkung mit Membranproteinen zu untersuchen.

Röntgenstreu- und Spektroskopietechniken werden auch zur Charakterisierung von Oberflächen und Grenzflächen eingesetzt. Während einige dieser Messungen mit Röntgenquellen im Labor durchgeführt werden können, erfordern viele die hohe Intensität und Energieeinstellbarkeit von Synchrotronstrahlung. Röntgenkristall-Trunkierungsstäbe (CTR) und Röntgen-Stehwellenmessungen (XSW) untersuchen Änderungen der Oberflächen- und Adsorbatstrukturen mit einer Auflösung unter Ångström. Messungen der oberflächenverlängerten Röntgenabsorptionsfeinstruktur (SEXAFS) zeigen die Koordinationsstruktur und den chemischen Zustand von Adsorbaten. Röntgenkleinwinkelstreuung mit streifendem Einfall (GISAXS) liefert die Größe, Form und Orientierung von Nanopartikeln auf Oberflächen. [19] Die Kristallstruktur und Textur dünner Filme kann mit Röntgenbeugung mit streifendem Einfall (GIXD) untersucht werden. GIXRD).

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ist ein Standardwerkzeug zur Messung der chemischen Zustände von Oberflächenspezies und zum Nachweis von Oberflächenkontaminationen. Die Oberflächenempfindlichkeit wird durch Detektion von Photoelektronen mit kinetischen Energien von ca. 10-1000 eV erreicht, die entsprechende inelastische mittlere freie Wege von nur wenigen Nanometern aufweisen. Diese Technik wurde für den Betrieb bei Umgebungsdrücken (Umgebungsdruck XPS, AP-XPS) erweitert, um realistischere Gas-Feststoff- und Flüssig-Feststoff-Grenzflächen zu untersuchen. [20] Die Durchführung von XPS mit harten Röntgenstrahlen an Synchrotronlichtquellen liefert Photoelektronen mit kinetischen Energien von mehreren keV (harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie, HAXPES), die den Zugang zu chemischen Informationen über vergrabene Grenzflächen ermöglichen. [21]

Moderne physikalische Analyseverfahren umfassen Rastertunnelmikroskopie (STM) und eine Familie von Methoden, einschließlich der Rasterkraftmikroskopie. Diese Mikroskopie hat die Fähigkeit und den Wunsch von Oberflächenwissenschaftlern, die physikalische Struktur vieler Oberflächen zu messen, erheblich gesteigert. Sie ermöglichen es beispielsweise, Reaktionen an der Fest-Gas-Grenzfläche im realen Raum zu verfolgen, wenn diese auf einer vom Instrument zugänglichen Zeitskala ablaufen. [22][23]

Siehe auch [ Bearbeiten [19659046] Referenzen [] ]

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Weiterführende Literatur Bearbeiten

Externe Links Bearbeiten