Oberflächenphysik Definition der Grenzfläche/Oberfläche · 2015. 5. 20. · 2 Beschreibung der...

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1 Oberflächenphysik 19.2. Vacuum technique [vapour pressure, Langmuir, pumps] 26.2. Structure, relaxations and reconstructions 4. 3. Diffractionsmethods: LEED, He atom scattering, grazing X-ray, ions 11. 3 Adsorption/Desorption 18. 3. Ostern 25. 3 Electronic properties and surface spectroscopies: XPS/UPS, Auger, SEXAFS, ARPES; STS 1. April Local probes: STM, AFM, FIM 8. April Diffusion and growth 15. April fällt aus. (NCCR Site visit) 22. April Surface phase transitions 29. April Thin film growth and epitaxy 6. Mai Surface vibrations and surface spectroscopies IR, EELS 13. Mai Optical properties polaritons and plasmons 20. Mai Exkursion ans PSI Definition der Grenzfläche/Oberfläche Unsere Umwelt präsentiert sich in 3 Aggregatzuständen: fest-flüssig-gasförmig Phase: Eine Anhäufung von Teilchen, die überall gleiche makroskopische Eigenschaften hat (1) Reine Phase (2) Mischphase Phasengrenzfläche: Kontakfläche zwischen zwei Phasen liquid solid gas T.P. Beispiele: solid-solid interface solid-liquid interface liquid-liquid interface liquid-gas surface solid-gas surface Grenzfläche ist nicht Fläche sondern Schicht physical parameter distance z Δz Minimum: Ein Einkristall im Kontakt mit seiner Dampfphase Maximum. Ein homogenes System nahe seinem kritischen Punkt ΔzBedeutung der Oberfläche Wechselwirkung eines Festkörpers (einer Flüssigkeit) mit seiner Umgebung findet via Oberfläche statt. Eigenschaften der Oberfläche sind verschieden von denen der Bulkphase Informationen über die Bulkstruktur (z.B. Dislokationen) Surface Science: Seit etwa 40 Jahren als Disziplin bekannt Oberflächenphysik und Oberflächenchemie Praktische Bedeutung 1. Oberflächenreaktionen (konstruktive und destruktive) 2. Katalyse (catalysis): technische von grosser Bedeutung -heterogene Katalyse (z.B. Autokatalysator) -homogene Katalyse 3. Korrosion (corrosion): destruktiver Prozess 4. Schichtwachstum (film growth): (z.B. elektronische Bauelemente) 5. Tribologie (tribology): Reibung, Verschleiss, Adhäsion Oberflächenphysik als Teildisziplin der kondensierten Materie und

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Oberflächenphysik19.2. Vacuum technique [vapour pressure, Langmuir, pumps] 26.2. Structure, relaxations and reconstructions

4. 3. Diffractionsmethods: LEED, He atom scattering, grazing X-ray, ions 11. 3 Adsorption/Desorption18. 3. Ostern

25. 3 Electronic properties and surface spectroscopies: XPS/UPS, Auger, SEXAFS, ARPES; STS

1. April Local probes: STM, AFM, FIM 8. April Diffusion and growth 15. April fällt aus. (NCCR Site visit)

22. April Surface phase transitions 29. April Thin film growth and epitaxy6. Mai Surface vibrations and surface spectroscopies IR, EELS

13. Mai Optical properties polaritons and plasmons20. Mai Exkursion ans PSI

Definition der Grenzfläche/Oberfläche

Unsere Umwelt präsentiert sich in 3 Aggregatzuständen:fest-flüssig-gasförmig

Phase: Eine Anhäufung von Teilchen, die überall gleiche makroskopischeEigenschaften hat(1) Reine Phase (2) Mischphase

Phasengrenzfläche: Kontakfläche zwischen zwei Phasen

liquidsolid

gas

T.P.

Beispiele:solid-solid ⇒ interfacesolid-liquid ⇒ interfaceliquid-liquid ⇒ interfaceliquid-gas ⇒ surfacesolid-gas ⇒ surface

Grenzfläche ist nicht Fläche sondern Schicht

physicalparameter

distance z

∆z

Minimum: Ein Einkristall im Kontakt mit seiner DampfphaseMaximum. Ein homogenes System nahe seinem kritischen Punkt∆z⇒∞

Bedeutung der Oberfläche

Wechselwirkung eines Festkörpers (einer Flüssigkeit) mit seiner Umgebung findet via Oberfläche statt.

Eigenschaften der Oberfläche sind verschieden von denen der Bulkphase

Informationen über die Bulkstruktur (z.B. Dislokationen)

Surface Science: Seit etwa 40 Jahren als Disziplin bekannt⇒Oberflächenphysik und Oberflächenchemie

Praktische Bedeutung

1. Oberflächenreaktionen (konstruktive und destruktive)2. Katalyse (catalysis): technische von grosser Bedeutung

-heterogene Katalyse (z.B. Autokatalysator)-homogene Katalyse

3. Korrosion (corrosion): destruktiver Prozess4. Schichtwachstum (film growth): (z.B. elektronische Bauelemente)5. Tribologie (tribology): Reibung, Verschleiss, Adhäsion

Oberflächenphysik als Teildisziplin der kondensierten Materie und

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Beschreibung der OberflächeMorphologie (morphology): morpho <griech.> Gestalt, FormTopographie (topography): topo <griech.> Ort, GeländeStruktur (structure)

Zur geometrischen Beschreibung von idealen Kristalloberflächen wirdHäufig das Terrace-Ledge-Kink (TLK-Modell) verwendet.Danach gibt es 3 Kategorien:

singulär (singular)vizinal (vicinal)

rauh (rough)

Experimentelle Voraussetzungen der Oberflächenphysik

Bedingungen: Die Zusammensetzung der Oberfläche muss während der DauerEines Experiments konstant (oder wohl definiert) sein

Voraussetzung: (1) Vakuum (2) saubere Oberfläche

1. Vakuumtechnik (vacuum technology)

Vakua: (a) Grobvakuum 300-1mbar(b) Feinvakuum (FV) 1-10-3mbar(c) Hochvakuum (HV) 10-3-10-7 mbar(d) Ultrahochvakuum (UHV) 10-7-10-10 mbar

Magdeburger Halbkugeln

1654: Otto von Guericke demonstriert Halbkugeln und zeigt den Einfluss der Erdatmosphäre und die Existenz von Vakuum

Widerlegung der Aether-Theorie (horror vacui)

Umrechnungsfaktoren

Warum Vakuum, welches Vakuum

Umgebungsdruck: p

Auftreffrate:

p: [Torr]T: [Kelvin]b=3.51·1022

1 Monolage (ML) enthält ca. 3·1014 Atome/cm2

N2: M=28, T=293K ⇒ R=106p [ML/sec] ⇒ R≈1ML/sec mit p≈10-6Torr(sticking coefficient = 1)

Bsp: p=10-10mbar ⇒ 1ML in 2h

Definition: 1 Langmuir = 1L = 10-6 Torr x 1sec

[ ]12 −−⋅= scm

MT

pbR

UHV-System

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Vakuumsystem

Der erreichbare Druck p0 ist gegeben durch die Leckrate Q unddas Saugvermögen S:

p0=Q/S

Leckrate: Entgasen von Wänden, evt. LecksIdealerweise nur durch Desorptionsrate der Behälterwände

Behälterwände aus Edelstahl (früher Glas) habe geringe DesorptionsratenDie Desorptionsrate nimmt mit dem Evakuieren kontinuierlich abDurch Ausheizen (typ. 120-150ºC, max. 400 º C) wird eine schnellere Desorptionerreicht. Das Saugvermögen ist durch die Wahl der Vakuumpumpen gegeben.

Desorptionsraten von verschiedenen Materialien

Dampfdruck von Materialien UHV-Dichtungen

Für UHV-Systeme werden Kupfer-Dichtungsringe verwendetFür die Schleusen werden auch ausgegaste Viton-Dichtungen verwendet.

Weitere Dichtungen: Gold, Indium (Tieftemperatur) oder Aluminium

Vakuumpumpen Drehschieberpumpe (rotary pump)Mechanische Pumpe zur Herstellung von Vorvakuum (typ. 1-10-2 mbar)

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Turbomolekularpumpe

Mechanische Pumpe mit einer turbinenähnlichem Rotor. Die Umfangsgeschwindigkeit der Rotorschaufel-endenliegt im Bereich der Schallgeschwindigkeit der zu pumpenden Gase. Typ. 104 Umdrehungen/minEs gibt Lagerungen mit Ölschmierung oder magnetische LagerungBei Stillstand treten Öldämpfe ins System ⇒ Ventil

Kompressionsverhältnis Turbomolekularpumpe

Begrenztes Kompressionsverhältnis ⇒Vorschaltung von Drehschieber-Vorvakuumpumpe.

Öl-Diffusions-Pumpe

Kann auch bis in den UHV- oder HV-Bereich eingesetzt werden.Heute mehrheitlich durch Turbo-Pumpen ersetzt

Kühlfalle (cool trap)

l-N2-gekühlte Wände.Grosse Pumpleistung (vgl. Ti-Sublimationspumpe)Vorallem für MBE-AnlagenMuss dann allerdings kalt gehalten werden.

Titan-Sublimationspumpe, Getterpumpen

Ein frischer Film eins reaktiven Metalles (Ti) wird auf eine OberflächeGedampft. Reaktive Gase wie H2O oder CO werden druch Chemisorption„gepumpt“. Besonders hohes Saugvermögen durch Kühlung der Oberfläche.

Pumpvermögen: Je nach Gas: 3-10 l s-1cm-2 (bei RT) 10-15 l s-1cm-2 bei l-N2

Ionen-Getter-Pumpe

Restgasatome werden durch Elektronen (Spiralbahnen im B-Feld) ionisiert. Die Ionen werden auf die Ti-Kathode beschleunigt und dort „begraben“.Ionen-Getter-Pumpen können durch Aufheizen auf 400ºC regeneriert werden.Hat den Vorteil, dass die Pumpe keine mechanische Schwingungen erzeugt.

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Messung des Druckes

Heisskathode (ion gauge, ionization gauge) wird zur Messung des DruckesVon 10-4 bis 10-10 Torr verwendet.

Bayart-Alpert-Ion gauge

Ion-gauge

e-

+

UHV-Anlage: z.B. Nanolino Präparation

1) Spaltung: Materialien: Alkalihalogenide (NaCl, KBr)Erdalkali (CaF2)Oxide (MgO)Halbleiter (GaAs)

Brechen Glas ⇒ Bruchflächen amorph

Silberhalogenide spalten nicht, ev. He-Temperatur⇒ hoher kovalenter Anteil, plastische Verformung wie bei Metallen

2) Aufdampfung (sauberes Substrat)3) Erhitzen Pt: 1200°C

Si: 1200 °CCu: 500 °C

4) Ionenbeschuss (Sputtern)