Charakterisierung von Oberflächen

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1 Charakterisierung von Oberflächen Rudolf Holze, Institut für Chemie, AG Elektrochemie, D Chemnitz, Germany Chemnitz, WS 2009/10 1/43

2 1. Einführung, Organisatorisches 2. Grlagen, Gegenstand der Vorlesung 2.1. Oberflächeneigenschaften: An den Grenzen fester Materie 2.2. Übersicht über die wichtigsten Sonden Signale, Wechselwirkungen darauf basierende Methoden 3. Atomspektroskopie 3.1. Augerelektronenspektroskopie 3.2. Photoelektronenspektroskopie, XPS, UPS 4. Schwingungsspektroskopie 4.1 EELS 4.2 IR 4.3 Raman-Spektroskopie 5. Ionenmethoden 5.1. Sekärionenmassenspektroskopie 5.2. Thermodesorptions-MS, Laserdesorptions-MS 6. Elektronenstrahlmikroanalyse 7. Mößbauerspektroskopie 8. Elektrochemische Verfahren 8.1 Klassische Verfahren 8.2 Nichtklassische ex situ-verfahren 8.3 Nichtklassische in situ-verfahren 9. BET, Mikro-Meso-Makroporen, Langmuir 10. Beispiele angewandter Methodenvielfalt: Heterogene Katalyse Korrosion Chemnitz, WS 2009/10 2/43

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4 5. Ionenmethoden 5.1. Sekärionenmassenspektroskopie (SIMS) 5.2. Thermodesorptions-MS, Laserdesorptions-MS Statische SIMS mit ausreichend kleinem Primärstrom, während einer Messung wird weniger als 1 % der Oberflächenlage abgetragen, sonst dynamische SIMS Chemnitz, WS 2009/10 4/43

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14 5.2. Thermodesorptions-MS, Laserdesorptions-MS Desorption adsorbierter Teilchen durch Wärmeeinwirkung (z.b. rückseitige Erwärmung mit Licht einer Xenonlampe (bei Vorderseite Photoeffekte zu befürchten), Analyse der Teilchen mit Quadrupolmassenspektrometer Alternativ: Erwärmung mit Laserlicht, dabei wiederum bei frontseitiger Beleuchtung Photochemie denkbar Chemnitz, WS 2009/10 14/43

15 6. Elektronenstrahlmikroanalyse EMPA: Electron microprobe analysis EMP: Electron microprobe EPMA: Electron probe microanalysis EPXMA: Electron probe X-ray microanalysis Verwandte Techniken: SEM: Scanning electron microscope (REM: Rasterelektronenmikroskop) Auflösung: besser als 10 nm Analytische Elektronenmikroskopie Protoneninduzierte Röntgenemission PIXE Röntgenfluoreszenzanalyse XRF Auger-Analyse Ion microprobe analysis (ähnlich SIMS) Laserinduzierte Massenspektroskopie LIMS Chemnitz, WS 2009/10 15/43

16 Inelastische Streuung von (Primär)Elektronen mit kev r = A E /( ρ Z 0.89 r = Reichweite, ρ = Dichte, E Z= Ordnungszahl, A = atomare Masse 0 ) Kanaya Okayam1972 = Energie der Primärelektronen, Chemnitz, WS 2009/10 16/43

17 Elastische Streuung Chemnitz, WS 2009/10 17/43

18 Quellen von Sekärelektronen SE Chemnitz, WS 2009/10 18/43

19 Das Instrument Chemnitz, WS 2009/10 19/43

20 das werden wir noch brauchen Chemnitz, WS 2009/10 20/43

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23 Rückstreukoeffizient=f(Atomzahl Z); Rückstreuintensität daher element materialtypisch Mit negativer Gitterspannung am E-T-Detekor (Bild vorher) werden relativ energiearme Sekärelektronen zurückgehalten, rückgestreute Elektronen kommen dagegen durch Chemnitz, WS 2009/10 23/43

24 Bei EMPA werden erzeugte Röntgenstrahlen ausgewertet: Energiedispersiv (ED) Wellenlängendispersiv (WD) (daher für leichte Elemente weniger geeignet) Beryllium 8 µm, läßt > 1keV durch, darunter Polymerfolie, evt. gittergestützt 3 mm dick, 10 mm Durchmesser, Goldkontakt für Bias auf Frontseite Chemnitz, WS 2009/10 24/43

25 Wirkungsweise eines Detektors für energiedispersive Untersuchung: Auftreffendes Röntgenphoton löst im Halbleiter (Ge oder Si) Auger- Photoelektronen aus, diese regen Elektronen aus dem Leitungs- ins Valenzband an, die am Halbleiter angelegte Vorspannung (Bias) läßt einen Stromimpuls entstehen, der hochohmig mit einem FET abgenommen wird. Durchschnittsenergie zur Erzeugung eines Elektron- Loch-Paars für Si: 3,8 ev, für Ge 2,9 ev. Die Höhe des Stromimpulses hängt von der Zahl der erzeugten Paare ab, diese hängt von der Energie des Röngenphotons dividiert durch die Paarerzeugungsnergie ab. Ein Al Kα Photon mit 1,487 kev erzeugt durchschnittlich 391 Paare in Si, ein Ni Kα Photon mit 7,477 kev dagegen D.h. Strom ist energieproportional damit elementtypisch. Verunreinigungen im Si werden durch Einbau von Lithium durch driften kompensiert (Si(Li) lithiumdrifted Si), Ge braucht dies nicht. Chemnitz, WS 2009/10 25/43

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36 7. Mößbauerspektroskopie Isomerenshift A Quadrupolsplitting B hängen von Elektronendichte am Kern, d.h. von z.b. Oxidationszahl, Bindungsverhältnisse (A) resp. von Symmetrie der Ladungsverteilung um den Kern (B) ab. Chemnitz, WS 2009/10 36/43

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38 Magnetische Aufspaltung Chemnitz, WS 2009/10 38/43

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43 Literatur: G. Ertl J. Küppers: Low Energy Electrons and Surface Chemistry, VCH, Weinheim 1985 O. Brümmer: Mikroanalyse mit Elektronen- Ionensonden, VEB Deutscher Verlag für Grstoffindustrie, Leipzig, 1977 S.J.B. Reed: Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology, Cambridge University Press, Cambridge, 2005 Chemnitz, WS 2009/10 43/43