Quelltext der Seite Oberflächenchemie

'''Oberflächenchemie''' ({{enS|''surface chemistry, surface science''}}) ist ein Teilgebiet der [[Physikalische Chemie|Physikalischen Chemie]], bei dem die chemischen und strukturellen Vorgänge untersucht werden, die sich an [[Grenzfläche]]n, meist fest/gasförmig, abspielen. Dabei werden oberflächensensitive analytische Methoden angewendet, für die in den letzten Jahrzehnten mehrere [[Nobelpreis]]e vergeben wurden. Da die untersuchten Strukturen im [[Nanometer]]bereich liegen, zählt man die Oberflächenchemie zu den [[Nanowissenschaft]]en.

{{Siehe auch|Oberflächenphysik}}

== Grundlagen ==
Als Oberfläche (engl.: ''{{lang|en|surface}}'') ist dabei der Bereich eines Festkörpers definiert, in dem sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften (z.&nbsp;B. Struktur, elektronische Eigenschaften) vom Rest (engl.: ''{{lang|en|bulk}}'') unterscheiden, wobei die Abweichung von den Volumeneigenschaften <math>f(x)</math> i.&nbsp;a. [[Exponentialfunktion|exponentiell]] mit der Entfernung von der Oberfläche <math>x</math> abklingt (proportional zu <math>f(x) = \exp(-x)</math>).
Das Idealbild einer Oberfläche ist analog zum idealen Festkörper eine streng [[Periodizität|periodisch]] in zwei Raumrichtungen unendliche ausgedehnte Anordnung von [[Atom]]en oder [[Molekül]]en.

=== Bravaisgitter ===
Eine periodische Anordnung von Atomen oder Molekülen auf einer Oberfläche kann analog zum Festkörper in zwei Dimensionen mit einem [[Bravais-Gitter]] beschrieben werden. In zwei Dimensionen gibt es fünf Bravais-Gitter, die [[Quadrat (Geometrie)|quadratische]], die [[rechteck]]ige, die rechteckig innenzentrierte, die [[raute]]nförmige und die [[Sechseck|hexagonale]] Struktur, wobei die hexagonalen oder rechteckig innenzentrierte Strukturen als Sonderfälle der rautenförmigen Struktur mit bestimmten Winkeln angesehen werden können.

=== Einheitszelle ===
[[Datei:Rastertunnelmikroskop 2004.jpg|mini|Rastertunnelmikroskop]]
Eine Einheitszelle spiegelt die Symmetrie des Bravais-Gitter wider, es besitzt dieselben [[Symmetrie (Physik)|Symmetrieelemente]]. Auf Grund der Periodizität des Gitters können die Einheitszellen durch einen [[Vektor|Translationsvektor]] <math>\vec R</math> aufeinander abgebildet werden. Die Einheitszellen selbst werden durch [[linear unabhängig]]e [[Einheitsvektor]]en <math>\vec a_1</math> und <math>\vec a_2</math> aufgespannt. Dabei gilt:

<math>\vec R = \vec a_1 + \vec a_2</math>

Man kann das Gitter auch in einen anderen Raum mit anderen Basisvektoren <math>\vec a_1^*</math> und <math>\vec a_2^*</math> transformieren. Arbeitet man z.&nbsp;B. mit Beugungsmethoden, misst man die Einheitszelle im [[Reziproker Raum|reziproken Raum]], auch k-Raum genannt.

Die Vektoren der Einheitszelle im [[Ortsraum]] können u.&nbsp;U. mittels [[Rastertunnelmikroskop]]ie ermittelt werden. Die gemittelte Größe der Einheitszelle im reziproken Raum erhält man beispielsweise mit der [[Low Energy Electron Diffraction|Beugung langsamer Elektronen (LEED)]] an der Oberfläche.

Eine spezielle Art der Einheitszelle ist die [[Wigner-Seitz-Zelle]]. Ihr entspricht die [[Brillouin-Zone]] 1. Ordnung im k-Raum.
[[Datei:Leed muster.png|mini|LEED-Beugungsmuster im k-Raum]]

=== Punkte und Geraden im Gitter ===
Ein [[Punkt (Geometrie)|Punkt]] <math>P(x,y,z)</math> im Gitter wird durch einen Vektor <math>\vec P(x,y,z)</math> vom [[Koordinatensystem|Ursprung]] zum Punkt beschrieben. Eine [[Gerade]] wird mit einem Vektor beschrieben, der parallel zur Gittergeraden liegt.

=== Gitterebenen ===
Wenn ein [[Einkristall]] bricht, geschieht das häufig entlang der [[Gitterebene]]. Dadurch entstehen Oberflächen, die sich je nach 3-dimensionaler Kristallstruktur und Schnittrichtung in ihrer 2-dimensionalen Oberflächenstruktur unterscheiden. Die Schnittebenen können durch die [[Schnittpunkt]]en <math>a_1, a_2, a_3</math> der Ebene mit den Achsen des [[Koordinatensystem]]s beschrieben werden. Die gebräuchlichere Schreibweise ist allerdings die Angabe der [[Miller-Indizes]] <math>h, k, l</math>, die das ganzzahlige Vielfache der [[Kehrwert|reziproken]] Achsenabschnitte sind. z.&nbsp;B. (111), (110), (100)

=== Überstrukturen ===
[[Überstruktur]]en sind zusätzliche, größere Strukturen, die sich durch Umordnung oder [[Adsorption]] an der Oberfläche bilden. Sie können mit Vektoren <math>a_2</math> und <math>b_2</math> als Vielfache der Basis-Vektoren <math>a_1</math> und <math>b_1</math>, durch die woodsche Nomenklatur oder durch [[Matrix (Mathematik)|Matrixdarstellung]] beschrieben werden.

== Oberflächenpräparation ==
Bevor eine Oberfläche im mikroskopischen Maßstab [[Reproduzierbarkeit|reproduzierbar]] analysiert werden kann, muss sie von Verunreinigungen befreit werden. Um sie vor weiterer Kontamination zu schützen, wird sie im [[Ultrahochvakuum|Ultrahochvakuum (UHV)]] (<math>p < 10^{-10}\,\mathrm{hPa}</math>) gehandhabt. Dadurch wird die [[Flächenstoßrate]] <math>n_i</math> von auftreffenden Molekülen aus der Gasphase verringert. Diese ist für ein Gasteilchen des Typs <math>i</math>

:<math>n_i \approx 2{,}6 \cdot 10^{22} \frac{1}{\mathrm{mbar}} \frac {p}{\sqrt{M_i \cdot T}}</math>

In einer Studie mit einer auf Ag(111) adsorbierten organischen Molekülschicht konnte eine Reaktion mit Sauerstoffgas mittels [[Rastertunnelmikroskop]]ie direkt im Ortsraum sichtbar gemacht werden.<ref>{{Literatur |Autor=Thomas Waldmann, Daniela Künzel, Harry E. Hoster, Axel Groß, R. Jürgen Behm |Titel=Oxidation of an Organic Adlayer: A Bird’s Eye View |Sammelwerk=Journal of the American Chemical Society |Band=134 |Nummer=21 |Datum=2012-05-30 |Seiten=8817–8822 |DOI=10.1021/ja302593v}}</ref>

Mögliche Ursachen für Oberflächenkontamination sind z.&nbsp;B.:
* Adsorption von [[Luft]]molekülen
* Staub
* Wanderung von Teilchen aus dem Probeninneren an die Oberfläche

== Oberflächendefekte ==
Typische nanoskalige Defekte an [[Einkristall]]oberflächen [z.&nbsp;B. die Ag(111)-Oberfläche] sind Stufen, [[Kinke]]n sowie aus Terrassen herausgelöste Atome. Diese können mittels [[Rastertunnelmikroskop]]ie im atomaren Maßstab sichtbar gemacht werden und sind im Allgemeinen reaktiver als atomar glatte Terrassen.

=== Methoden zur Oberflächenreinigung ===

Werkstücke tragen nach der Bearbeitung (z.&nbsp;B. Schleifen, Drehen) im Allgemeinen Rückstände, wie Öle, Staub, Abrieb oder Schleifmittel. Diese Rückstände wirken sich meistens negativ auf die Bearbeitungsschritte aus und müssen daher entfernt werden. Typische Verfahren sind:
* [[Oxidation]] oder [[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] der Oberfläche: Überführen der Verunreinigungen in flüchtige Verbindungen. Oxidation kann zur chemischen Umwandlung von Adsorbaten führen, die anschließend leichter desorbiert werden. Beispielsweise kann stark an eine Oberfläche gebundenes CO zu CO<sub>2</sub> oxidiert werden, das auf Grund seiner chemischen Struktur nur noch schwach gebunden ist.
* [[Sputtern]] mit [[Argon]]ionen: Beim Sputtern wird die Probe mit Ionen beschossen, die in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Allerdings bilden sich auf dem Substrat mehr oder weniger große „Krater“, die z.&nbsp;B. durch Heizen der Probe geglättet werden können.
* [[Tempern]] (Heizen der Probe): Beim Heizen der Probe auf eine bestimmte [[Temperatur]] (ca. 1000&nbsp;K) kann sich das [[Thermodynamik|thermodynamische Gleichgewicht]] einstellen, dabei wird die Oberfläche minimiert, was einer Absenkung der Oberflächenenergie entspricht. Dabei können sich von der Temperatur abhängige [[Oberflächenrekonstruktion|Rekonstruktionen]] oder Strukturen bilden. Diese können in [[Domäne (Physik)|Domänen]] unterschiedlicher Orientierung vorliegen. Beim Tempern kann es außerdem zu Desorption von Adsorbaten kommen.

=== Techniken zum Aufbringen von weiteren Schichten ===
Auf eine Oberfläche können weitere [[dünne Schichten|Schichten]] von Atomen oder Molekülen aufgebracht werden, um die Eigenschaften der Grenzfläche zu modifizieren. Dadurch lassen sich z.&nbsp;B. Halbleiterbauelemente in dreidimensionaler Form in einem [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreis (IC)]] unterbringen, weil sie durch die Schichten getrennt werden. Ein in der Grundlagenforschung wichtiges Hilfsmittel ist die [[Chemisorption]] von Sondenmolekülen, deren Schwingungseigenschaften z.&nbsp;B. Informationen über die Oberfläche geben.
Das Aufbringen der Schichten geschieht i.&nbsp;a. mit einer der folgenden Methoden der [[Dünnschichttechnologie]]:
* [[Chemische Gasphasenabscheidung]] (CVD)
* [[Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung]] (PECVD)
* [[Physikalische Gasphasenabscheidung]] (PVD)
* [[Molekularstrahlepitaxie]] (MBE)
* [[Galvanotechnik|galvanotechnische]] Abscheidung
* Oxidation der Oberfläche mit [[Sauerstoff]]
* [[Sol-Gel-Verfahren]]

== Beispiele für Fragestellungen ==
Beispiele von Fragestellungen in der Oberflächenchemie sind: die [[Chemisches Element|elementaren]] Zusammensetzungen von Oberflächen, [[Konzentration (Chemie)|Konzentration]] von Elementen im Oberflächenbereich, die Verteilung von Elementen im Tiefenprofil der Oberfläche sowie die [[chemische Bindung]] von [[Adsorbat]]en. Auch die Erforschung der [[Adsorption]]skinetik, der [[Adsorptionsenergie]] und der [[Desorption]]skinetik sowie der (elektronischen) Struktur an der Grenzfläche und der Schwingungseigenschaften sind Aufgaben der Oberflächenchemie. Des Weiteren beschäftigt sich die Oberflächenchemie mit [[Reaktionsmechanismus|Reaktionsmechanismen]] von heterogen katalysierten Reaktionen, erstellt Modelle für katalytische Reaktionen für die Entwicklung von industriellen Katalysatoren und untersucht die [[Diffusion]] von Adsorbaten auf Oberflächen (Oberflächendynamik) sowie den [[Oxidationszahl|Oxidationszustand]] von Oberflächenatomen.

== Oberflächenkoordinationschemie ==
[[Datei:Oberflaechenkomplex.png|mini|outer-sphere-Komplex des Anions<br />
 [Cr(CN)<sub>5</sub>NO]<sup>3−</sup> an einer Metalloxid-Hydroxid-Oberfläche]]
Die [[Koordinationschemie]] an Metalloxidoberflächen hat viele Parallelen zur [[Komplexchemie]] in Lösungen. Hierbei dienen Oxidionen und insbesondere [[Hydroxide|Hydroxidgruppen]], die durch [[Dissoziation (Chemie)|dissoziative]] Adsorption von Wassermolekülen an der Metalloxidoberfläche entstehen, als [[Ligand]]en für Metallionen oder Metallionen-Komplexen aus einer angrenzenden Phase. Hierbei können Metallkomplexe durch schwache Wechselwirkungen gebunden werden (outer-sphere-Komplexe) oder die Bindung erfolgt über Austauschreaktionen von Liganden (inner-sphere-Komplexe).
Beispiel für eine inner-sphere-Komplexbildung:

:<math>\mathrm{Metall-OH + Fe(H_2O)_6^{2+} \longrightarrow Metall-OFe(H_2O)_5^{+} + H_3O^+}</math>

Die Herstellung von Oberflächenkomplexen ist für heterogene [[Katalysator]]en von großer Bedeutung.

An der Oberfläche laufen insbesondere auch [[Säure-Base-Reaktion]]en ab. Die Hydroxidgruppen können entweder als [[Brönsted-Säure]] oder Brönsted–Base reagieren. Je nach Metall liegt dabei eine unterschiedliche [[Acidität]] der Brönsted-Säure vor. Solche Oberflächen spielen eine wichtige Rolle als [[Katalysator]] für säurekatalysierte Reaktionen in nichtwässrigen Lösungsmitteln und in der Gasphase. Ebenso spielen in der Katalyse Zentren an Metalloxidoberflächen eine Rolle, die als [[Lewis-Säure-Base-Konzept|Lewis-Säuren]] reagieren können. Hierbei nimmt vor allem bei höheren Temperaturen die Anzahl von Metallkationen und damit die Lewis-Acidität zu.

== Oberflächensensitive Methoden ==
[[Datei:Afm cd-rom.jpg|mini|Rasterkraftmikroskopische Abbildung der Datenschicht einer [[Compact Disc]].]]

Oberflächenanalytische Methoden werden in der [[Industrie]] und in der [[Grundlagenforschung]] eingesetzt.
* [[Heterogene Katalyse]] (z.&nbsp;B. [[Haber-Bosch-Verfahren]] zur Herstellung von [[Ammoniak]])
* [[Halbleitertechnologie]]
* [[Brennstoffzelle]]nforschung
* Abläufe an [[Elektrode]]n bei [[Elektrochemie|elektrochemischen Reaktionen]]
* [[Nanoelektronik]], d.&nbsp;h. Herstellung von elektronischen Bauteilen auf Nanometerskala
* [[Information]]sspeicher mit hoher [[Speicherdichte]]
* [[Klebstoff]]e
* Beständige Beschichtungen von Oberflächen (z.&nbsp;B. [[Korrosionsschutz]])
* [[Medizin]]technische Anwendungen
* [[Materialforschung]], z.&nbsp;B. atomare Zusammensetzung von Oberflächen-[[Legierung]]en
* Bestimmte [[Biologie|biologische]] Fragestellungen

Um die Vorgänge an Grenzflächen untersuchen zu können, müssen Methoden verwendet werden, die nur Prozesse in dem Bereich einer Probe „sehen“, der sich in seinen Eigenschaften vom restlichen [[Festkörper]] unterscheidet. Dazu werden die Wechselwirkungen von folgenden Wellen/Teilchen mit Materie genutzt:

{| class="wikitable"
|- class="hintergrundfarbe6"
!Strahlung/Teilchen
![[mittlere freie Weglänge]] im Festkörper/Gas
!Beispiele
|-
|[[Elektron]]en
|klein ([[Coulomb-Wechselwirkung]]), abhängig von kinetischer Energie, siehe [[Universelle Kurve]]
|
|-
|[[Photon]]en
|groß (keine Coulomb-Wechselwirkung)<ref>[https://books.google.de/books?id=p5rwBgAAQBAJ&pg=PA101&lpg=PA101&dq=%22für+photonen+ist%22++oberflächenphysik&source=bl&ots=s-PCe5eSkt&sig=9t_JNcfWryq_n_1ws2HoT8HPblw&hl=de&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=%22für%20photonen%20ist%22%20%20oberflächenphysik&f=false Oberflächenphysik des Festkörpers] (Seite 101)</ref>
|[[UV-Strahlung]], [[Infrarotstrahlung]], [[Röntgenstrahlung]]
|-
|neutrale thermische Atome und Moleküle
|keine, Umkehrpunkt vor Oberfläche
|[[Helium]]-Atome, [[Wasserstoff]]-Moleküle
|-
|[[Ion]]en
|klein (Coulomb-Wechselwirkung)
|
|-
|[[Magnetismus|magnetische Felder]]
|groß
|
|-
|[[Wärme]]
|groß
|
|}

Die mittleren freien Weglängen von geladenen Teilchen sind auf Grund von [[Coulomb-Wechselwirkung]]en i.&nbsp;a. viel kleiner als die von neutralen. Ein weiterer starker Einfluss ist die [[kinetische Energie]] der Teilchen; in bestimmten Energiebereichen können Prozesse angeregt werden, was die mittlere freie Weglänge verringert. Entscheidend für die Oberflächensensitivität einer Methode ist, dass entweder das mit der Probe wechselwirkende oder das detektierte Teilchen oder Welle eine geringe mittlere freie Weglänge in der Materie besitzt. Deshalb ist auch für viele Methoden ein [[Ultrahochvakuum]] nötig. Die gewählte Methode hängt dabei von der Fragestellung ab. Die folgende Übersicht soll nur einen Überblick geben. Für mehrere Methoden existieren auch verschiedene ortsauflösende Techniken. Für weitere Beschreibung siehe deren Artikel. Jede der Methoden hat Vor- und Nachteile, die beim Experiment berücksichtigt werden müssen.

=== Mikroskopie ===

[[Datei:First STM.jpg|mini|Das erste Rastertunnelmikroskop von Rohrer und Binnig]]
[[Datei:Nacl3d.jpg|mini|Die Oberfläche von Natriumchlorid mit dem Kraftmikroskop im Nicht-Kontakt-Modus abgebildet, wobei die einzelnen Atome als Erhebungen bzw. Vertiefungen zu erkennen sind.]]
[[Datei:Graphite ambient STM.jpg|mini|STM-Aufnahme einer Graphitoberfläche in atomarer Auflösung.]]
[[Datei:Atomic resolution Au100.JPG|mini|STM-Messung der [[Oberflächenrekonstruktion|Rekonstruktion]] der (100)-Fläche eines [[Gold|Au]]-[[Einkristall]]s]]

{| class="wikitable"
|+ Rastersondenmikroskopie
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[Rastertunnelmikroskop|Rastertunnelmikroskop (STM)]]
|Elektronische [[Zustandsdichte|Zustandsdichte (LDOS)]] und [[Topografie (Messtechnik)|Topographie]] an der Oberfläche im [[Ortsraum]], [[Überstruktur]]en
|Elektronen
|Tunnelstrom/z-Position der Spitze
|[[Tunneleffekt]]
|-
|[[Rasterkraftmikroskop|Rasterkraftmikroskop (AFM)]]
|Topographie an der Oberfläche im Ortsraum
|Schwingende Spitze ([[Cantilever (Mikroskop)|Cantilever]])
|Ablenkung eines Laserstrahls ([[Frequenz]]-, [[Phase (Schwingung)|Phasen]]- und [[Amplitude]]nänderung)
|Kraft zwischen AFM-Cantilever und Oberfläche ([[Austauschwechselwirkung|Pauli-Repulsion]], [[Van-der-Waals-Wechselwirkung]])
|-
|[[Nahfeldmikroskopie|Nahfeldmikroskopie (SNOM)]]
|
|
|
|
|-
|[[Chemische Kraftmikroskopie|Chemisches Kraftmikroskop (CFM)]]
|
|
|
|
|-
|[[Rasterkraftmikroskop|Magnetkraftmikroskop (MFM)]]
|
|
|
|
|}

[[Datei:Photoresist SEM micrograph.JPG|mini|[[Fotolack]] im Elektronenmikroskop]]

{| class="wikitable"
|+ Elektronenmikroskopie
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[Transmissionselektronenmikroskop|Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM)]]
|Oberflächenstruktur im Ortsraum, [[Gleitebene]]n von [[Kristallit]]en auf der Oberfläche
|Elektronen
|Elektronen
|Transmission von Elektronen durch eine dünne Probe
|-
|[[Elektronenmikroskop#Rasterelektronenmikroskop|Raster-Elektronen-Mikroskopie (SEM)]]
|Oberflächenstruktur im Ortsraum, [[Gleitebene]]n von [[Kristallit]]en auf der Oberfläche
|Elektronen
|Elektronen
|Abrastern der Probe mit Elektronenstrahl
|-
|[[Rastertransmissionselektronenmikroskop|Raster-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (STEM)]]
|Oberflächenstruktur im Ortsraum, [[Gleitebene]]n von [[Kristallit]]en auf der Oberfläche
|Elektronen
|Elektronen
|Kombination aus TEM und SEM
|-
|[[Röntgenmikroanalyse|Röntgenmikroanalyse (XRMA)]]
|
|
|
|
|-
|[[Photoemissionselektronenmikroskopie|Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM)]]
|Magnetische Domänenstruktur im Ortsraum
|Zirkular polarisierte Röntgenphotonen
|Photoelektronen
|[[Photoelektrischer Effekt]], vergrößerte Darstellung der emittierten Photoelektronen auf einem [[Leuchtschirm]]
|-
|}

[[Datei:FIM-ImageW 11kV.jpg|mini|FIM-Bild einer Wolframspitze in (110)-Orientierung bei 11&nbsp;kV. Die Ringstruktur resultiert aus der Anordnung der Atome in einem [[krz]]-Gitter. Einzelne helle Punkte können als einzelne Atome interpretiert werden.]]

{| class="wikitable"
|+ Feldinduzierte Mikroskopie
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[Feldemissionsmikroskopie|Feldemissionsmikroskopie (FEM)]]
|Abbildung der Struktur von Spitzen, keine atomare Auflösung
|elektrisches Feld ionisiert Spitzenatome
|emittierte Elektronen aus der Spitze auf [[Fluoreszenz]]schirm
|Ionisation, Tunneleffekt
|-
|[[Feldionenmikroskopie|Feldionenmikroskopie (FIM)]]
|Abbildung der Struktur von Spitzen, atomare Auflösung
|elektrisches Feld, [[Bildgas]]
|Bildgas mit Fluoreszenzschirm
|Ionisation des Bildgases, Tunneleffekt
|-
|[[Felddesorption]]/Feldverdampfung
|Abbildung der Struktur von Spitzen
|elektrisches Feld
|Adatome/Spitzenatome
|Desorption von Adatomen der Spitze/Verdampfung von Spitzenmaterial
|-
|[[Feldionenmassenspektrometrie]]
|Zusammensetzung von Spitzen
|elektrisches Feld, [[Bildgas]]
|Molare Masse von Spitzenatomen durch [[Time-of-flight Massenspektrometer|Time-of-flight-Massenspektrometer (TOF)]]
|Desorption von Atomen der Spitze, Unterschiedliche Flugzeit bei unterschiedlichen Massen im TOF
|}

=== Spektroskopie ===

[[Datei:Xps-spektrum.jpg|mini|Beispiel für ein XPS-Spektrum]]
[[Datei:Xps-analysator.jpg|mini|Typisches XPS-System mit [[Halbkugelanalysator]], Röntgenröhren und diversen Präparationsmethoden]]

Bei der [[Spektroskopie]] handelt es sich allgemein um ein Verfahren bei dem ein [[Elektromagnetisches Spektrum|Spektrum]] erzeugt wird, d.&nbsp;h., eine Intensität wird gegen eine der Energie äquivalenten Größe aufgetragen, z.&nbsp;B. [[Frequenz]].
Bei der [[Elektronenspektroskopie]] ist die Energie von Elektronen, diejenige Größe, die gegen die Intensität aufgetragen wird.
Es gibt folgende Methoden:

{| class="wikitable"
|+ Elektronenspektroskopie
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[Röntgenphotoelektronenspektroskopie|Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS)]]
|Oxidationszustand und Konzentration von Elementen im Oberflächenbereich
|Röntgen-Photonen
|Photo-Elektronen
|[[Photoelektrischer Effekt]]
|-
|[[Auger-Elektronen-Spektroskopie|Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)]]
|Oxidationszustand und Konzentration von Elementen im Oberflächenbereich
|Röntgen-Photonen oder Elektronen
|Auger-Elektronen
|[[Auger-Effekt]]
|-
|[[Photoelektronenspektroskopie#Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS)|Ultraviolett-Photoelektronen-Spektroskopie (UPS)]]
|Elektronische Struktur
|Photonen im UV-Bereich
|Photo-Elektronen
|[[Photoelektrischer Effekt]]
|-
|[[Metastabilen-Einschlag-Elektronenspektroskopie|Metastabilen-Einschlag-Elektronenspektroskopie (MIES)]]
|Elektronische Struktur
|Metastabile Heliumatome
|Auger-Elektronen
|Abregung der metastabilen Atome an der Oberfläche; [[Auger-Effekt]]
|}

[[Datei:Ir hcl rot-vib mrtz.svg|mini|Rotations-Schwingungs-Spektrum von gasförmigem Chlorwasserstoff bei Raumtemperatur.]]

{| class="wikitable"
|+ Schwingungs-Spektroskopie
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[IR-Spektroskopie|Infrarotspektroskopie (IR)]]
|Spektrum, Schwingungsmoden von Adsorbaten (oft [[Kohlenmonoxid]] als Sonde)
|Infrarot-Photonen
|Infrarot-Photonen
|Schwingungsanregung von IR-aktiven Banden
|-
|[[Ramanspektroskopie]]
|Spektrum, Schwingungsmoden von Adsorbaten
|VIS-, NIR-Laser
|Rayleigh/Raman-Streuung (VIS, NIR)
|Schwingungsanregung von raman-aktiven Banden
|-
|[[Elektronenenergieverlustspektroskopie]] (EELS)
|Spektrum
|Elektronen
|Elektronen
|Anregung von Prozessen im Festkörper: [[Phonon]]enanregung, [[Plasmon (Physik)|Plasmonenanregung]], Ionisation
|}

{| class="wikitable"
|+Ionen-Spektroskopie
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[LEIS|Ionen-Streu-Spektroskopie (ISS=LEIS)]]
|[[Molare Masse]] der Oberflächenatome auf der äußersten Lage (qualitativ)
|niederenergetische Ionen (oft positive [[Edelgase|Edelgas]]- oder [[Alkalimetall]]ionen)
|gestreute Ionen mit einem [[Massenspektrometrie|Massenspektrometer]]
|Elastische Streuung von Ionen an der Oberfläche, [[Energieerhaltungssatz|Energie-]] und [[Impulserhaltung]]
|-
|[[Sekundärionen-Massenspektrometrie|Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS)]]
|[[Molare Masse]] der Atome im Tiefenprofil der Oberfläche (quantitativ)
|Ionen (oft positive [[Edelgase|Edelgas]]- oder [[Metallion]]en)
|[[Cluster (Physik)|Cluster]] und Fragmente der Oberfläche, gestreute Ionen mit einem [[Massenspektrometrie|Massenspektrometer]]
|[[Sputtern]] der Oberfläche
|-
|[[Rutherford Backscattering Spectrometry|Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)]]
|Zusammensetzung der Oberfläche
|hochenergetische [[Helium]]-Ionen
|
|
|-
|[[Nukleare Reaktions-Analyse|Nukleare Reaktions-Analyse (NRA)]]
|Zusammensetzung der Oberfläche
|hochenergetische Ionen oder Neutronen
|Zerfallsprodukte von Kernreaktionen
|[[Kernreaktion]]en
|-
|[[Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie|Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS)]]
|
|
|
|
|}

[[Datei:NEXAFS EXAFS schematic.svg|mini|Röntgenabsorptionsspektrum im Bereich einer Absorptionskante (schematisch). Die Kante ist durch einen Pfeil markiert, und der bei EXAFS untersuchte Energiebereich hellblau hinterlegt.]]

{| class="wikitable"
|+Röntgen-Absorptions-Spektroskopie (XAS)
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[EXAFS|(Surface) Extended X-Ray absorption Fine Structure ((S)EXAFS=XANES)]]
|Informationen über [[Nahordnung]], Bindungslängen, Koordinationszahl
|durchstimmbere Röntgen-Photonen ([[Synchrotron]]strahlung)
|Röntgen-Photonen
|[[Interferenz (Physik)|Interferenz]] von ursprünglichen Photoelektronen und an Nachbaratomen gestreuten Photoelektronen führen zu anderer Wahrscheinlichkeit für Photoelektrischen Effekt
|-
|[[XANES|X-Ray Absorption near edge Structure (XANES=NEXAFS)]]
|Informationen über [[Nahordnung]], Elektronische Struktur, Oxidationszustand
|durchstimmbere Röntgen-Photonen ([[Synchrotron]]strahlung)
|Röntgen-Photonen
|wie EXAFS aber genauere Auflösung der in Absortionskantennähe
|-
|[[Mößbauerspektroskopie]]
|Zusammensetzung, Strukturinformationen, Oxidationszustände, Partikelgröße
|[[Gammastrahlung]] (meist aus <math>{}^{57}\mathrm{Co}</math>)
|[[Gammastrahlung]]
|[[Mössbauereffekt]], [[Dopplereffekt]]
|}

{| class="wikitable"
|+ Weitere Spektroskopiearten
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[Rastertunnelspektroskopie|Raster-Tunnel-Spektroskopie (STS)]]
|Zustandsdichte der Oberflächenregion im Ortsraum
|Elektronen, Variation von Ort und Tunnelspannung
|Tunnelstrom
|Tunneleffekt
|}

=== Beugung ===

{| class="wikitable"
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[Low Energy Electron Diffraction|Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED)]]
|Oberflächenstruktur im [[Reziproker Raum|reziproken Raum]], [[Überstruktur]]en, 2D-[[Fernordnung]] muss vorhanden sein
|niederenergetische Elektronen
|gebeugte Elektronen
|[[Beugung (Physik)|Beugung]]
|-
|[[Röntgenbeugung|Röntgenbeugung (XRD)]]
|Gitterstruktur des gesamten Festkörpers im [[Reziproker Raum|reziproken Raum]], 3D-Fernordnung muss vorhanden sein
|Röntgen-Photonen
|gebeugte Röntgenstrahlung
|Beugung
|-
|[[MEED]]
|[[Monolage]]n-Wachstum in Abhängigkeit von der Zeit, Fernordnung bei voller Monolage muss vorhanden sein
|Elektronen
|gebeugte Elektronen
|Beugung
|-
|[[RHEED|Reflection high energy electron diffraction (RHEED)]]
|[[In situ|in-situ]]-Strukturanalyse während Deposition, Fernordnung muss vorhanden sein
|Elektronen
|Elektronen
|Beugung mit kleinem [[Glanzwinkel]]
|}

=== Kinetische Methoden ===

{| class="wikitable"
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[TPD|Temperatur-programmierte Desorption (TPD)]]
|Ordnung der [[Kinetik (Chemie)|Desorptions-Kinetik]], Anzahl Teilchen pro Monolage
|Wärme
|Desorbierte Oberflächen-Teilchen
|Desorption bei Temperaturerhöhung
|}

=== Sorptive Methoden ===

{| class="wikitable"
|- class="hintergrundfarbe6"
!Methode
!Erhaltene Informationen
!eingesetztes Teilchen/Welle
!detektierte Größe/Teilchen/Welle
!ausgenutzter Effekt
|-
|[[BET-Messung]]
|Größe von Oberflächen
|Stickstoff
|Adsorption
|Adsorption / Desorption bei Temperaturerhöhung
|-
|[[Chemisorption]]
|aktive Zentren
|Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid
|Chemisorption, Adsorption
|Chemisorption, Desorption
|}

=== Kombinationen ===
Bestimmte Strahlungsarten können mehrere Prozesse anregen, die für die jeweilige Methode Vor- und Nachteile bringen kann. Beispielsweise können bei Ionisation durch Röntgenstrahlung gleichzeitig Auger-Elektronen und Photoelektronen entstehen, die sich möglicherweise im Spektrum überlagern und so die Auswertung erschweren. Andererseits werden bei der TEM durch die zusätzliche Emission von Auger- und Photoelektronen, rückgestreute Elektronen, emittierte Partikel und EELS zusätzliche Informationen über die Probe in einer Apparatur gewonnen.

=== Die „Big Four“ ===
Als die „Big Four“ (dt. »die großen Vier«) werden die Messmethoden XPS, AES, SIMS und ISS bezeichnet.

== Nobelpreise für Entwicklungen in der Oberflächenchemie und Oberflächenphysik ==

[[Datei:Prof Ertl-Portrait.jpg|mini|hochkant|Der [[Nobelpreis]]träger [[Gerhard Ertl]] gilt als Mitbegründer der modernen Oberflächenchemie]]

{| class="wikitable"
|- style="background:#FFEEAA"
! width="5%"| Jahr / Fachgebiet
! width="20%"| Person
! width="15%"| Nationalität
! width="60%"| Begründung für die Preisvergabe
|- style="vertical-align:top"
| 1932<br />Chemie
| [[Irving Langmuir]]
| {{USA 48 Stars}}
| „für seine Entdeckungen und Forschungen im Bereich der Oberflächenchemie“
|- style="vertical-align:top"
| 1937<br />Physik
| [[Clinton Davisson]] und<br />[[George Paget Thomson]]
| {{USA 48 Stars}}<br />{{GBR}}
| „für ihre experimentelle Entdeckung der Beugung von Elektronen durch Kristalle“
|- style="vertical-align:top"
| 1981<br />Physik
| [[Kai Manne Siegbahn]]
| {{SWE}}
| „für seinen Beitrag zur Entwicklung der hochauflösenden [[Elektronenspektroskopie]]“
|- style="vertical-align:top"
| 1986<br />Physik
| [[Gerd Binnig]] und<br />[[Heinrich Rohrer]]
| {{DEU-1949|2=BR Deutschland}}<br />{{CHE}}
| „für ihre Konstruktion des [[Rastertunnelmikroskop]]s“
|- style="vertical-align:top"
| 2007<br />Chemie
| [[Gerhard Ertl]]
| {{DEU}}
| „für seine Studien von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen“
|- style="vertical-align:top"
| 2007<br />Physik
| [[Albert Fert]] und<br />[[Peter Grünberg]]
| {{FRA}}<br />{{DEU}}
| „für die Entdeckung des [[GMR-Effekt|Riesenmagnetwiderstands]] (GMR)“
|}

== Verwandte Themengebiete ==
* [[Oberflächenphysik]]
* [[Theoretische Chemie]]
* [[Nanoelektronik]]
* [[Lithographie]]

== Siehe auch ==
* [[Aktives Zentrum]]
* [[Dispersion (Oberflächenchemie)|Dispersion]]
* [[Dosis (Oberflächenchemie)]]
* [[Ensemble-Effekt]]
* [[Epitaxie]]
* [[Fraktal]]e Strukturen, [[Selbstähnlichkeit]]
* [[Langmuir (Einheit)]]
* [[Haftkoeffizient]]
* [[Katalyse|Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus]], [[Katalyse|Eley-Rideal-Mechanismus]], [[Katalyse|Mars-van-Krevelen-Mechanismus]]
* [[Paarkorrelation]]
* [[Pressure-Gap]], [[Material-Gap]]
* [[Schichtwachstum]] (Frank-van-der-Merve-Wachstum, Stranski-Krastanov-Wachstum und Volmer-Weber-Wachstum)
* [[Kristallwachstum]], [[Kristallisationskeim]]
* [[Selbstorganisierende Monoschicht|Selfassembling Monolayers (SAM)]]
* [[Top-down und Bottom-up]]
* [[Knudsenzelle]]
* [[Schwoebel-Effekt]]
* [[2D-Adgas]]
* [[Smoluchowski-Effekt]]

== Literatur ==

''Einzelnachweise''
<references />

''Bücher''
* {{Literatur |Autor=[[Gerhard Ertl|G. Ertl]], J. Küppers |Titel={{lang|en|Low Energy Electrons and Surface Chemistry}} |Auflage=2. |Verlag=Verlag Chemie |Ort=Weinheim |Datum=1985 |ISBN=3-527-26056-0}}
* {{Literatur |Autor=G. Ertl |Titel={{lang|en|Reactions at Solid Surfaces}} |Auflage=1. |Verlag=Wiley |Ort=New Jersey |Datum=2009 |ISBN=978-0-470-26101-9}}
* {{Literatur |Autor=[[Gábor A. Somorjai]] |Titel={{lang|en|Introduction to Surface Chemistry and Catalysis}} |Verlag=Wiley |Ort=New York |Datum=1994 |ISBN=0-471-03192-5 |Sprache=en}}

''Artikel''
* {{Literatur |Autor=Gerhard Ertl |Titel=Reaktionen an Oberflächen: vom Atomaren zum Komplexen (Nobel-Vortrag) |Sammelwerk=Angewandte Chemie |Band=120 |Nummer=19 |Datum=2008 |Seiten=3578–3590 |DOI=10.1002/ange.200800480}}
* K. Köhler, C.W. Schläpfer: ''Koordinationschemie an Oxidoberflächen''. In: ''Chemie in unserer Zeit.'' 27, Nr. 5, {{ISSN|0009-2851}}, 1993, S. 248–255.

''Zeitschriften''
* Surface Science, [[Elsevier]], {{ISSN|0039-6028}}
* Surface Science Letters, Elsevier, {{ISSN|0167-2584}}
* Surface Science Reports, Elsevier, {{ISSN|0167-5729}}
* Surface Science Spectra, Elsevier, {{ISSN|1055-5269}}
* Applied Surface Science, Elsevier, {{ISSN|0169-4332}}
* Progress in Surface Science, Elsevier, {{ISSN|0079-6816}}
* Applications of Surface Science, Elsevier, {{ISSN|0378-5963}}
* [https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/toc/14397641/2010/11/7 ChemPhysChem 11, Special Issue on Surface Phenomena, 2010]

== Weblinks ==
<!-- * [http://www.uni-ulm.de/iok Institut für Oberflächenchemie und Katalyse Universität Ulm] -->
<!-- * [http://www.uni-ulm.de/theochem/ Institut für Theoretische Chemie Universität Ulm] -->
* [https://www.qmul.ac.uk/sbcs/surfaces/scc/ Einführung in die Oberflächenchemie (englisch)] (Queen Mary University of London)
* {{Webarchiv | url=http://www.sf.tv/sfwissen/dossier.php?docid=10602&navpath=ent | wayback=20100910005627 | text=Videodossier des Schweizer Fernsehens zum Thema Nanotechnologie}}
* {{Internetquelle |url=http://www.tagesschau.de/ausland/oberflaechenchemie2.html |titel=Oberflächenchemie in Reinform |hrsg=tagesschau.de |archiv-url=https://archive.is/20130212024901/http://www.tagesschau.de/ausland/oberflaechenchemie2.html |archiv-datum=2013-02-12 |zugriff=2015-04-11}}
* [[Richard Feynman]]: [http://www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html ''There’s Plenty of Room at the Bottom''] Vortrag am Caltech, 1959.
<!-- * [http://www.ifam.fraunhofer.de/de/Institutsprofil/Standorte/Bremen/Klebtechnik_Oberflaechen/Adhaesions_Grenzflaechenforschung/Oberflaechen_Nanostrukturanalytik.html Oberflächen- und Nanostrukturanalytik am Fraunhofer IFAM] -->

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{{SORTIERUNG:Oberflachenchemie}}
[[Kategorie:Teilgebiet der Chemie]]
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