Oberflächlich

Oberflächlich

Das ist ein Attribut, das normalerweise nicht gerade als Kompliment gemeint ist. Und doch ist es diese Eigenschaft der im Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik eingesetzten Analysemethoden, die bei der Materialentwicklung, in der Forschung und für andere Gebiete der modernen Hochtechnologie so attraktiv ist.

Das liegt einmal daran, dass die Oberfläche eines Festkörpers andere Eigenschaften als das Volumen hat. Zum anderen sind es aber gerade diese spezifischen Oberflächeneigenschaften, die für Anwendung und Funktion des Materials oder des Bauteils von herausragender Bedeutung sind.

Farbe und Aussehen eines Gegenstandes werden in einem charakteristischen Tiefenbereich zwischen 500 nm und 1 µm festgelegt, Eigenschaften wie die Benetzbarkeit und Lötbarkeit entscheiden sich sogar bereits auf den ersten Nanometern. Dieser Oberflächenbereich ist auch für Anwendungen z.B. in der chemischen Sensorik oder bei der Katalyse ausschlaggebend.

Unter “Oberfläche“ wird dabei nicht eine zweidimensionale Fläche im mathematischen Sinne verstanden, vielmehr sind mehr oder weniger ausgedehnte Bereiche um innere und äußere Grenzflächen der Festkörper gemeint.

Als Werkzeuge für die Untersuchung dieser Grenzflächen und Dünnen Schichten verfügen wir heute über eine ganze Reihe von Analyseverfahren, die in den vergangenen Jahrzehnten aus der modernen Oberflächenphysik heraus entstanden sind. Mit ihnen erhält man die benötigten Informationen über die chemische und strukturelle Zusammensetzung auch auf einer mikroskopischen Skala, von einigen µm bis herab zur Analyse einzelner Atome oder atomar dünner Schichten.

"God made solids, but surfaces were the work of the Devil“

So soll der Physiknobelpreisträger Wolfgang Ernst Pauli seinerzeit sehr pointiert formuliert haben. Hier seien nur zwei Gründe angeführt, welche die Oberflächenanalytik besonders anspruchsvoll und schwierig machen: erstens sind die zu untersuchenden Grenzflächen im Allgemeinen sehr komplex aufgebaut. Und eine zweite Herausforderung ist auch nicht zu unterschätzen: die zu analysierenden Materialmengen sind, insbesondere bei räumlicher Hochauflösung, extrem klein, sodass man Verfahren und Methoden benötigt, die auch kleinste Stoffmengen sehr empfindlich nachweisen beziehungsweise analysieren können.

Und damit man eine einzelne Atomlage überhaupt kontrolliert untersuchen kann, ist außerdem ein extremes Vakuum (Ultrahochvakuum UHV) erforderlich. Hochvakuum bei ca. 10-6 mbar reicht nämlich nicht aus, denn bei diesem Druck würde auf einer reaktiven Oberfläche noch immer etwa eine Monolage pro Sekunde aus der Restgasatmosphäre abgeschieden.

Moderne Hochtechnologie mit ihren innovativen Herstellungsverfahren und Produkten braucht deshalb auch den Zugriff auf eine leistungsfähige Analytik.

Bei fast allen Verfahren wird die zu untersuchende Oberfläche zunächst einer bestimmten Primärstrahlung (z.B. aus Ionen, Elektronen oder auch Photonen) ausgesetzt. Manche Verfahren benutzen die Primärteilchen selbst als "atomare" Sonden, die nach Wechselwirkung mit der Festkörperoberfläche Information über deren Struktur tragen, welche bei ihrer Rückkehr von der Oberfläche durch geeignete Nachweissysteme "ausgelesen" wird. Andere messen Energie und Intensität der charakteristischen Sekundärteilchen (Atome, Ionen, Elektronen, Photonen ...), die der Festkörper als „Antwort“ auf die Bestrahlung mit den Primärteilchen aussendet [1]-[2]. Auf die verschiedenen Verfahren soll hier aber im Einzelnen nicht eingegangen werden. Vielmehr sollen hier die Möglichkeiten unserer modernen Oberflächenanalytik in den drei wesentlichen Arbeitsgebieten unseres Instituts exemplarisch aufgezeigt werden.

 

  • [1] M. Kopnarski: Oberflächenanalytik, Teil 1: Einführung; Vakuum in Forschung und Praxis Vol. 26, Nr. 4 (2014) S. 47-48.
  • [2] M. Kopnarski: Oberflächenanalytik, Teil 2: Grundlegende Konzepte; Vakuum in Forschung und Praxis Vol. 26, Nr. 5 (2014) S. 42-43.

Die oberste Atomlage einer Festkörperoberfläche enthält ca. 1015 Atome/cm2. Nimmt man an, jedes hundertste Atom der Oberfläche gehöre zu einem Element, das analysiert werden soll, dann müssen der hierfür in Frage kommenden Analysetechnik 1013 Atome für den Nachweis reichen. Das entspricht einer Stoffmenge von etwa 1011 mol, für das Element Eisen beispielsweise eine Masse von ungefähr einem Nanogramm! Analysiert man also beispielsweise ein Würfelvolumen von 1 cm3 und will in diesem Würfel ein Element nachweisen, das in genau einer Monolage mit einer Konzentration von 1 at% enthalten ist, dann ist diese Anforderung vergleichbar mit der Forderung eine einzelne Erbse in einem Güterzug beladen mit mehreren hundert Tonnen Erbsen zu finden!

… Oberflächlich

… Fehler und Schadensanalyse

… Qualitäts- und Prozesskontrolle

... Material-, Produkt- und Prozess-Entwicklung

Oberflächlich

Dem Täter auf der Spur…

Fehler und Schadensanalyse

Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser…

Qualitäts- und Prozesskontrolle

Strategie statt Empirie…

Material-, Produkt- und Prozess-Entwicklung