Experimentalphysik II - Untersuchungen an Oberflächen
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Photoelektronenspektroskopie
Zur Bestimmung der elektronischen Struktur von Übergangsmetalloxiden hat sich die Photoelektronenspektroskopie (PES) als eine herausragende Methode etabliert. XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) ermöglicht die Untersuchung der Rumpfniveaus und eignet sich daher zur chemischen Analyse von Materialien. Mittels ARUPS (Angular Resolved Ultraviolett PES) kann eine Bestimmung von Valenzbandstruktur und Fermifläche durchgeführt werden. Der Photoelektronenspektroskopie sind insbesondere auch solche elektronischen Zustände zugänglich, die zu elektronischen Transporteigenschaften nicht unmittelbar beitragen. Diese Messungen sollen dem besseren Verständnis der mikroskopischen physikalischen Mechanismen in zukunftsträchtigen intelligenten Materialien dienen. PES eignet sich gut zur Untersuchung von elektronisch korrelierten Systemen, da die gemessene Spektralfunktion direkt berechnet werden kann. Ein direkter Vergleich von Theorie und Experiment ist damit möglich.
UPS- und XPS-Messungen an Übergangsmetalloxid-Einkristallen werden in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie z. B. Dotierung, Temperatur, Polarisation oder Oberflächenpräparation durchgeführt. Die Photoelektronenspektroskopie stellt jedoch ein oberflächenempfindliches Verfahren dar, wodurch die erhaltenen Ergebnisse durch die Oberflächeneigenschaften des untersuchten Systems dominiert werden. Eine Bewertung der Messergebnisse und Identifizierung von Oberflächenbeiträgen ist oft problematisch oder mit höherem experimentellen Aufwand verbunden. Somit ist eine umfassende Oberflächencharakterisierung unabdingbar. Von großem Vorteil werweist sich die Oberflächenemfpndlichkeit insbesondere bei der Untersuchung von dünnen Schichen und nanoskaligen Systemen. Diese können mittels Photoelektronenspektroskopie direkt charakterisiert werden.
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Rastersondenmikroskopie
Der wichtigste Teil der Oberflächencharakterisierung von Einkristallen ist durch die Verwendung von Rastersondenmikroskopie (SPM) gegeben. Damit lassen sich Abhängigkeiten von Oberflächenstruktur und Photoelektronenspektrum zeigen. Die bekanntesten Vertreter unter den Rastersondenmikroskopen sind das Rastertunnel- (STM) und Rasterkraftmikroskop (AFM). Das zugrunde liegende Prinzip ist in beiden Fällen identisch. Die Wechselwirkung einer geeigneten Sonde mit der Oberfläche der Probe wird graphisch dargestellt.
Beide Methoden bieten die Möglichkeit Oberflächen bis hin zur atomaren Auflösung abzubilden. Je nach Art der Wechselwirkung ist es möglich, verschiedene Informationen zu erlangen. Als Beispiele seien die Magnetkraftmikroskopie (MFM) und die elektrostatische Kraftmikroskopie (EFM) genannt. Des Weiteren ist es möglich Variationen in der elektrischen Leitfähigkeit von Oberflächen abzubilden. In diesem Fall spricht man von leitfähiger Rasterkraftmikroskopie (CAFM).
Dies fördert das Verständnis von Oberflächeneffekten, wie Rekonstruktionen oder die Rolle von Adsorbaten. Auch bei der Betrachtung katalytischer Eigenschaften von Oberflächen muss deren Struktur miteinbezogen werden. Gerade nanostrukturierte Oberflächen eignen sich aufgrund des hohen Oberflächen- zu Volumenverhältnisses als Katalysatoren. Durch das kontrollierte Aufbringen von Nanopartikeln auf Oberflächen lässt sich das katalytische Verhalten gezielt einstellen. Die Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie liefern dabei einen wesentlichen Beitrag zur Abbildung von Nanostrukturen.
Für weiterführende Fragen stehen Judith Moosburger-Will und Aladin Ullrich gerne als Kontaktpersonen zur Verfügung.
