Oberflächenphysik

Oberflächenphysik,

 

Spezialgebiet der Festkörperphysik, das sich mit den physikalischen Eigenschaften der Grenzflächen von Festkörpern gegen Vakuum oder Gasphasen befasst. Unter Grenzflächen sind dabei die ersten drei bis vier Atomlagen des Festkörpers und eventuell darauf befindlichen Adsorptionsschichten zu verstehen.

 

Reine Oberflächen können nur im Ultrahochvakuum durch Spaltung eines Einkristalls oder bei nicht spaltbaren Materialien durch Abtragen der obersten Atomlagen z. B. durch Ionenbeschuss oder Laserbestrahlung hergestellt und untersucht werden. Wegen der gestörten Translationssymmetrie und der nicht abgesättigten Valenzen kommt es im Oberflächenbereich zu Änderungen des Netzebenenabstandes des Kristallgitters parallel zur Oberfläche (Relaxation) und zu lateralen Änderungen der Atomanordnungen (Rekonstruktion). Als Folge unterscheiden sich die Energiezustände der Oberflächenelektronen deutlich von denen der Elektronen im Kristallvolumen, insbesondere treten erlaubte lokalisierte Zustände (Oberflächenzustände) im Bereich der Bandlücke auf. In ähnlicher Weise werden auch die Gitterschwingungen modifiziert. - Bei Kontakt mit einer Gasatmosphäre bilden sich reale Oberflächen: Durch Adsorption lagern sich Atome oder Moleküle an, die in vielen Fällen durch echte chemische Reaktionen (Chemisorption) zu meist nur wenige Nanometer dicken Schichten (insbesondere Oxid-, Hydroxid- oder Carbonatschichten) führen. Enthält die Gasatmosphäre die Gitterbausteine des Festkörpers, so kann deren Chemisorption die Wachstumsprozesse bei der Kristallisation und der Epitaxie steuern. Sowohl an reinen (relaxierten und rekonstruierten) Oberflächen als auch auf chemisorbierten Schichten werden durch Nebenvalenzkräfte weitere Atome oder Moleküle adsorbiert (Physisorption), wobei u. a. auch neue elektronische Oberflächenzustände entstehen. Oberflächen mit ihren Adsorbatschichten bestimmen das chemische Verhalten der Festkörper und einen Teil des physikalischen Verhaltens. Sie spielen deshalb eine große Rolle bei Katalyse, Korrosion, Adhäsion, Reibung, Verschleiß und Schmierung, bei der Oberflächenbearbeitung, in der Dünnschicht- und der Galvanotechnik, bei Halbleiterbauelementen (insbesondere bei deren Passivierung) u. a. technisch wichtigen Prozessen.

 

Wichtige experimentelle Methoden der Oberflächenanalyse sind die Elektronenspektroskopie (Photoelektronenspektroskopie, Auger-Elektronenspektroskopie), die Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) und die Neutralteilchenmassenspektroskopie (SNMS) sowie Elektronenbeugungsverfahren (LEED-Technik, RHEED-Technik). - Die Oberflächenphysik (allgemeiner die Grenzflächenphysik, die auch die Wechselwirkung mit flüssigen Phasen betrachtet) ist ein Forschungsgebiet im Grenzbereich von Physik und Chemie (Grenzflächenchemie), das mit wachsender Miniaturisierung von Bauelementen an technischer Bedeutung gewinnt.