Oberflächenphysik Des Festkörpers

ISBN-13: 9783519130475 / Niemiecki / Miękka / 1994 / 641 str.

Martin Henzler; Wolfgang Gopel

Opis

"Das Volumen des Festkorpers schuf Gott, ihre Oberflache wurde vom Teufel gemacht." Dieser Satz von Wolfgang Pauli spricht sicher so manchem aus dem Herzen, der versucht, einen systematischen Ein stieg in die Oberflachenphysik zu finden und dabei auf geeignete Festkorper-, aber nicht vergleichbare Oberfiachenphysik-Lehrbucher stosst. Das vorliegende Buch ist als ein solcher Einstieg gedacht. Es soll einerseits zeigen, dass Oberflachen mit ihren zwei Dimensionen oft viel einfacher zu verstehen sind als Festkorper mit ihren drei Dimen sionen. Es soll andererseits zeigen, dass an der Oberflache vollig neue Effekte auftreten konnen, die in der Tat viel komplizierter zu beschrei ben und experimentell zu erfassen sind als Volumen phanomene. Dies fuhrt zu neuen Konzepten der zweidimensionalen Physik und Che mie mit neuen Untersuchungsmethoden, Materialien und Theorien fur niederdimensionale Systeme. Dieses Buch soll insbesondere auch die Begeisterung fur die neue Entwicklung der Oberflachenphysik ver mitteln, die in vielen Bereichen der grundlagenangewandten Material forschung eine entscheidende Rolle spielen. Beispiele sind Entwicklun gen von Rastertunnelmikroskopen mit atomarer Auflosung und Ar beiten zu physikalischen Grenzen bei der Miniaturisierung von Halb leiterbauelementen, Arbeiten zum molekularen Verstandnis fur Senso ren, Katalysatoren oder Bauelemente der molekularen Elektronik mit ihren Oberflachen- und Grenzfiachenphanomenen oder physikalisch chemische Ansatze zur Nanotechnologie. Der Oberflachenphysik wird fur die nachsten Jahre eine ahnlich ra sante Entwicklung vorausgesagt, wie sie in der Festkorperphysik vor etwa 30 Jahren begonnen hat. Entscheidend fur den heutigen Stand der Oberflachenphysik war einerseits die Entwicklung der Ultrahoch vakuumtechnik."

Spis treści

1 Einführung.- 1.1 Was ist Oberflächenphysik?.- 1.2 Entwicklung und Methodik der Oberflächenphysik.- 2 Experimentelle Voraussetzungen und Hilfsmittel.- 2.1 Teilchentransport im Ultrahochvakuum (UHV).- 2.2 Ultrahochvakuumtechnologie.- 2.2.1 Vakuum-Materialien.- 2.2.2 Einfache Bauteile.- 2.2.3 Pumpen.- 2.2.4 Druckmessung.- 2.2.5 Typischer Aufbau von UHV-Apparaturen.- 2.3 Herstellung definierter, einfacher Oberflächen.- 2.3.1 Präparation von Einkristallen.- 2.3.2 Herstellung von Aufdampfschichten.- 2.4 Häufig verwendete Spektrometerkomponenten.- 2.4.1 Übersicht.- 2.4.2 Elektronen- und Photonenquellen.- 2.4.3 Monochromatoren und Filter für Photonen und Elektronen.- 2.4.4 Detektoren.- 2.4.5 Neutralteilchen- und Ionenstrahl-Spektrometer.- 3 Geometrische Struktur von Oberflächen.- 3.1 Übersicht über mögliche Anordnungen von Atomen an der Oberfläche.- 3.2 Mathematische Beschreibung von Kristall-Oberflächen.- 3.3 Experimentelle Verfahren und ihre prinzipiellen Grenzen.- 3.4 Direkte Abbildung der Oberfläche.- 3.5 Beugungsbilder von zweidimensionalen periodischen Strukturen.- 3.6 Beugung mit Elektronen-, Röntgen- und Atomstrahlen.- 3.7 Auswertung des Beugungsbildes: Periodizität und Intensität.- 3.8 Defektstrukturen.- 3.8.1 Kinematische Näherung.- 3.8.2 Regelmäßige Anordnungen.- 3.8.3 Unregelmäßige Anordnungen.- 3.8.4 Übersicht über Meßmöglichkeiten mit LEED.- 3.8.5 Defektanalyse mit Hilfe der Beugung von Atomstrahlen.- 3.9 Strukturuntersuchung mit Ionenstrahlen.- 4 Elektronische und vibronische Struktur von Oberflächen.- 4.1 Elektronische und vibronische Oberflächenzustände.- 4.1.1 Allgemeine Beschreibung.- 4.1.2 Grundlagen und Beispiele für die Berechnung von Oberflächenzuständen.- 4.2 Oberflächen im elektronischen Gleichgewicht.- 4.2.1 Austrittsarbeit.- 4.2.2 Raumladungsrandschichten in Halbleitern.- 4.3 Transportvorgänge und Nichtgleichgewichte.- 4.3.1 Definitionen und Begriffe.- 4.3.2 Leitung in Bändern von Oberflächenzuständen.- 4.3.3 Leitung in der Raumladungsschicht.- 4.3.4 Feldeffekt.- 4.3.5 Nichtgleichgewichte durch elektrische Felder und Beleuchtung.- 4.4 Übersicht über spektroskopische Methoden.- 4.5 Spektroskopie im Bereich der Rumpfelektronen.- 4.5.1 Röntgenphotoemission (XPS).- 4.5.2 Streuexperimente mit Photoelektronen.- 4.5.3 Augerelektronenspektroskopie (AES).- 4.5.4 Geometrische Abbildungen mit Photonen und Augerelektronen.- 4.5.5 Tiefenprofilanalyse.- 4.6 Spektroskopie im Bereich der Valenzelektronen.- 4.6.1 Grundlagen der UV-Photoemission (UPS).- 4.6.2 Photoemission an Atomen und Molekülen.- 4.6.3 Photoemission an freien Oberflächen.- 4.6.4 Photoemission an Oberflächen mit Adsorbaten.- 4.6.5 Elektronenenergieverlustspektroskopie.- 4.6.6 Inverse Photoemission und Zwei-Photonen-Photoemission.- 4.6.7 Optische Absorption, Photoleitung und Photospannung.- 4.7 Schwingungsspektroskopie.- 4.7.1 Schwingungsspektroskopie mit Elektronen.- 4.7.2 Inelastische Atomstreuung.- 4.7.3 Infrarotabsorption.- 5 Wechselwirkungen von Teilchen mit Oberflächen.- 5.1 Bestimmung der Bedeckung und Adsorptionsrate von Teilchen an Festkörperoberflächen.- 5.1.1 Chemische Analyse der Oberfläche über Massenbestimmung desorbierender Teilchen.- 5.1.2 Chemische Analyse der Oberfläche über elektronische und vibronische Zustände.- 5.1.3 Charakterisierung von Oberflächenbedeckungen über unspezifische phänomenologische Meßgrößen.- 5.1.4 Bestimmung der Adsorptionsrate von Teilchen an Oberflächen.- 5.2 Übersicht verschiedener Festkörper/Gas-Wechselwirkungen.- 5.2.1 Problemstellung.- 5.2.2 Verschiedene Wechselwirkungsmechanismen zwischen Teilchen und Festkörperoberflächen.- 5.2.3 Thermodynamisch und kinetisch kontrollierte Experimente.- 5.2.4 Exzeßgrößen an der Oberfläche.- 5.3 Phänomenologische und statistische Thermodynamik von Festkörper/Gas-Wechselwirkungen.- 5.3.1 Adsorptionsisothermen.- 5.3.2 Thermodynamische Grundbegriffe.- 5.3.3 Thermodynamik allgemeiner Adsorptionssysteme.- 5.3.4 Volumenreaktionen und Festkörperthermodynamik.- 5.3.5 Statistische Mechanik von Adsorptionssystemen.- 5.4 Kinetik von Festkörper/Gas-Wechselwirkungen.- 5.4.1 Übersicht.- 5.4.2 Adsorption und Akkomodationskoeffizienten.- 5.4.3 Desorption.- 5.4.4 Oberflächendiffusion adsorbierter Teilchen.- 5.5 Thermodynamisch und kinetisch bestimmte Oberflächenstrukturen.- 5.5.1 Adsorbate auf inerter Unterlage.- 5.5.2 Verdampfung und Teilchentransport an freien Festkörperoberflächen.- 5.6 Adsorption an Festkörperoberflächen.- 5.6.1 Übersicht.- 5.6.2 Physisorption.- 5.6.3 Chemisorption und Koordinationschemie.- 5.6.4 Chemisorption an Metallen.- 5.6.5 Chemisorption an idealen Halbleitern.- 5.6.6 Chemisorption an Halbleitern, mit Defekten.- 6 Anwendungsbeispiele aus der allgemeinen Materialforschung.- 6.1 Die zentrale Problemstellung: Kontrollierte Grenzflächen.- 6.2 Sensorik.- 6.3 Katalyse.- 6.4 Anwendung dünner Schichten.- 6.5 Mikro- und Optoelektronik.- 6.6 Keramik und Hoch-Tc-Supraleitung.- 6.7 Molekularelektronik.- 6.8 Biotechnologie und Medizintechnik.- 7 Literatur.- 8 Anhang.- 8.1 Dreidimensionale Bandstruktur.- 8.2 Zoo der Festkörper-„Onen“.- 8.2.1 Phononen.- 8.2.2 Plasmonen.- 8.2.3 Exzitonen.- 8.2.4 Polaritonen.- 8.2.5 Magnonen.- 8.2.6 Solitonen.- 8.2.6.1 Solitonen in der Physik und Mathematik.- 8.2.6.2 Solitonen in organischen Materialien.- 8.2.7 Polaronen.- 8.2.7.1 Polaronen in anorganischen Materialien.- 8.2.7.2 Polaronen in halbleitenden Polymeren.- 8.2.8 Bipolaronen.- 8.3 Physikalische Größen, Einheiten und Naturkonstanten.- 8.3.1 Basisgrößen und Einheiten.- 8.3.2 Physikalische Größen im Sl-System.- 8.3.3 Physikalische Konstanten im Sl-System.- 8.3.4 Dezimale Vielfache und Teile von Einheiten.- 8.3.5 Druckdimensionen — Umrechnungsfaktoren.- 8.3.6 Energiedimensionen — Umrechnungsfaktoren.- 8.3.7 Kraftdimensionen — Umrechnungsfaktoren.- 8.3.8 Ladungsdimensionen — Umrechnungsfaktoren.- 8.3.9 Die Funktionen kT und RT in Abhängigkeit von der Temperatur.- 8.4 Dampfdrücke.- 8.5 Bildzeichen für die Vakuumtechnik.- 8.6 Gebräuchliche Oberflächenuntersuchungsmethoden.- 8.7 Erklärung der Abkürzungen.- 8.8 Bindungsenergien und Wirkungsquerschnitte für die Röntgenphotoemission.- 8.9 Periodensystem der Elemente.- 8.10 Auger-Elektronen-Energie.- 8.11 Spezifikationen ausgewählter Mikroanalysemethoden.