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