Überblick über wichtige Eigenschaften und Reaktionen von Oberflächen

 

In der Wissenschaft besitzt jeder so viel, wie er wirklich erkennt und erfasst.

[John Locke, englischer Philosoph, 1632 – 1704]

 

Besonderheiten der Oberflächenanalysen

 

Das generelle Problem der Empfindlichkeit von Oberflächenanalysen lässt sich sehr einfach zeigen.

Angenommen, eine recht grosse Oberfläche Glas von 1 cm² werde untersucht. Diese Oberflächenschicht ist aus ca. 10¹⁵ Atomen aufgebaut. Nun möchte man 1% Verunreinigungen feststellen - eine noch recht grobe Aussage. Das entspricht 10¹³ Atomen.

Müsste man diese 10¹³ Atome in einer Flüssigkeitsprobe von 1 cm³ Mineralwasser mit ca. 10²³ Atomen finden, dann entspräche das einer Empfindlichkeit von 1/10'000'000'000 oder 0,1 ppb. Diese Empfindlichkeit ist so gross, dass sie nur mit grossem Aufwand erreicht werden kann. Solche analytische Anforderungen haben dazu geführt, dass sich die Grenzschichtchemie erst mit modernsten Messinstrumenten richtig entwickeln konnte.

 

Beispiel einer Quarzoberfläche (SiO₂), die mit einer monomolekularen Schicht von Seifenmolekülen bedeckt ist:

 

Quarzoberfläche	Bindung von Seifenmolekülen an jedem 2 Sauerstoffatom

Abbildung 69: Monomolekulare Schicht von Seife auf Quarz

 

Annahme: 50 x 50 mm Quarz- Glasoberfläche   

 

·        Abstand der O-Atome ca. 3 Angström = 0.3 Nanometer

·        Pro 50 mm = 50 x 10⁶ nm sind das 166 x 10⁶ Atome (166 Millionen),

·        für die ganze Fläche 166 x 10⁶ x 166 x 10⁶ = 2.8. x 10¹⁷ O-Atome

·        Nun hängen wir an jedem 2. O-Atom ein Seifenmolekül, also 1.4. x 10¹⁷ Moleküle.

·        Dafür werden 0.00007 Gramm Seife das sind 0.07 Milligramm Seife benötigt, das ist etwa 1/5 der Masse eines Fingerabdrucks!!

 

Folgerung: Die Belegung von Oberflächen kann nur mit äusserst empfindlichen Methoden analysiert werden.

Die Oberflächeneigenschaften reichen auch bei Festkörpern bis in eine gewisse Tiefe. Das erfordert von der Analytik ebenfalls, dass die untersuchte Schicht nicht dicker ist, als die Schicht, welche die Eigenschaften bestimmt.

 

 

Tiefe in Nanometer, millionstel Millimeter (Atomdurchmesser 0.1 – 0.7 nm)

Abbildung 70: Oberflächeneigenschaften

 

 

Oberflächenanalysenmethoden

 

Die meisten Analysenmethoden sind für obersten Atome der Oberfläche empfindlicher, als für die unterliegenden Schichten, man spricht daher von oberflächenempfindlichen Analysen.

 

Einige wichtige Methoden sind:

 

·        AES auger electron spectroscopy, atomic emission spectroscopy

·        EDAX Energy Dispersive X-ray Spectroscopy

·        ESCA electron spectroscopy for chemical analysis

·        RBS Rutherford back scattering

·        SEM scanning electron microscope

·        SIMS, secondary ion mass spectrometry

·        TOF-MS time of flight mass spectrometry

·        TXRF Total X-Ray Reflection Fluorescence

·        XPS X-ray photoelectron spectrometry

Abbildung 71 : Verschiedene Oberflächenanalysemethoden

	Anregung durch
	Photonen	Elektronen	Ionen
Information über
Photonen	RFA	SXAPS	SCANIIR
	PIXE	DAPS
	EDAX	BIS
	EXAFS	ESMA
Elektronen	ESCA	AES	INS
	XPS	ELS
	UPS	EELS
		LEED
		HEED
		RHEED
Ionen + Neutralteilchen	LAMMA		ISMA
	LISMA	EID	SIMS
	LASMA		SNMS
			ISS
			RBS

 

1nm

10 nm

100 nm

1 mm

10 mm

100 mm

1 mm

1 cm

10 ppt

100 ppt

1 ppb

10 ppb

100 ppb

1 ppm

10 ppm

100 ppm

0.1 %

1 %

10 %

100 %

Abbildung 72 : Tiefenbereich und Empfindlichkeit von gängigen Oberflächenanalysemethoden[1]

 

Folgerung:

Nicht überraschend sind die empfindlichsten Methoden jede, welche relativ tief in die Probe hineinmessen.