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Forschungszentrum Jülich

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Ober-/Grenzflächen- und Nanowissenschaften

Die obersten Atomschichten einer Substanz bestimmen wesentlich, wie sie aussieht, wie sie reagiert und wozu man sie verwenden kann. An Oberflächen und anderen Grenzflächen, wo verschiedene Phasen in Berührung stehen, laufen eine Reihe wichtiger physikalischer und chemischer Prozesse ab: Phasenumwandlungen wie Wachstum, Schmelzen, Auflösung, Verdampfen, mechanischer und chemischer Angriff wie Verschleiß, Korrosion, Passivierung, und chemische Umsetzungen, die Katalyse. Das liegt daran, dass ein Atom oder Molekül, das direkt an einer Grenzfläche liegt, gegenüber einem in der Mitte des Festkörpers liegenden Teilchen eine veränderte atomare Umgebung hat. Auch Nanomaterialien verhalten sich anders als großvolumigere Festkörper, und oft liegen die Nanostrukturen, die technologisch interessant sind, an Oberflächen.

Die Röntgenbeugung ist ein nahezu ideales Werkzeug, um zum Beispiel Mechanismen des Kristallwachstums zu studieren. Dabei spielt die geringe Wechselwirkung des Röntgenstrahls mit Materie eine entscheidende Rolle, erlaubt sie doch einerseits eine zerstörungsfreie Messung, andererseits oft die Vernachlässigung von Mehrfachstreuung in der mathematischen Analyse. Zur Untersuchung dünner Schichten und Oberflächen sind wir auf Synchrotronstrahlung angewiesen, um trotz der geringen Wechselwirkung ausreichende Signalstärken zu erreichen. Durch die Variation des Einfallswinkels der Röntgenstrahlung kann die Wechselwirkungstiefe von einigen Ångström bis zu vielen Mikrometern verändert werden, was einerseits extrem oberflächenempfindliche Messungen erlaubt, andererseits eine Analyse dicker Schichtstapel ermöglicht.

Viele wichtige physikalische, chemische oder biologische Vorgänge spielen sich an inneren Grenzflächen ab, also an Grenzflächen, die unter einer festen oder flüssigen Schicht verborgen und damit den oberflächenempfindlichen Methoden nicht zugänglich sind. Zum Beispiel basiert die Funktion einer Vielzahl von technologisch relevanten elektronischen Bauelementen auf den Vorgängen an inneren Grenzflächen, z.B. in Halbleiterstrukturen wie Solarzellen oder Leuchtdioden oder auch in magnetischen Grenzschichtsystemen. Während Strukturuntersuchungen verborgener Grenzflächen bereits einen hohen Entwicklungstand erreicht haben, gibt es bisher nur in geeigneten Einzelfällen spektroskopische Untersuchungen solcher Grenzschichten. Diese sind aber zum Verständnis der chemischen und elektronischen Eigenschaften von zentralem Interesse. Hier kann die Röntgenemissionsspektroskopie (XES: X-ray emission spectroscopy) im weichen Röntgenbereich (< 1 keV) einen wertvollen Beitrag liefern: Durch die Inbetriebnahme hochbrillanter Synchrotronstrahlungsquellen der dritten Generation ist es seit neuestem möglich, die elektronische Struktur von Volumenproben und darin vergrabener Grenzschichten atom-spezifisch und hinsichtlich ihrer chemischen Umgebung mit hoher Energieauflösung zu untersuchen.

Ein Vorteil der Synchrotronstrahlung gegenüber bildgebenden Verfahren liegt darin, dass die mittleren Eigenschaften von Grenzflächen über größere Bereiche bestimmt werden können. Man kann aber auch extrem kleine Strukturen untersuchen und sogar erzeugen. Winzig kleine Objekte sind zum Beispiel Quantenpunkte: winzige Atomhäufchen mit ganz speziellen Eigenschaften, die man nicht nur beobachten, sondern auch manipulieren kann. Möglicherweise werden diese Quantenpunkte für winzige Laser verwendet mit Farben, die anders nicht erzeugt werden können. Synchrotronlicht eignet sich sehr gut zur genauen Bestimmung von Struktur und Zusammensetzung von Quantenpunkten. Hier hilft die Forschung den gegenwärtigen industriellen Entwicklungen in der Nanotechnologie, um die Elektronik von Konsumprodukten zu revolutionieren, z.B. für die Herstellung von leistungsfähigeren Quanten-Computern und flexiblen, ultra-flachen Bildschirmen.

Quellen: Kleine Enzyklopädie Physik, Verlag Harri Deutsch / SNI2006, Wolfgang Braun / Broschüre "Europäische Forschung in Grenoble" / KFS-Broschüre "Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland"

Mehr zum Thema:

KFS-Broschüre "Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland" (2009): Physik und Chemie an Oberflächen

KFS-Broschüre "Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland" (2001): Oberflächen und Grenzflächen

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