Flächenstrukturen

Flächenstrukturen bezeichnet in der Materialwissenschaft die Anordnung von Atomen, Molekülen und Nanopartikeln an Oberflächen auf der Mikro- bis Nanoebene. Wichtige Merkmale sind die Oberflächenorientierung, die Topografie (Terrassen, Stufen, Rauheit) sowie rekonstruktive und adsorbierte Muster, die die Oberflächenregion bestimmen. Dazu gehören auch selbstorganisierte Strukturen, Monolagen und Inseln, die durch das Zusammenspiel von Substrat, Wechselwirkungen und Umweltbedingungen entstehen.

Ursachen und Dynamik: Die Strukturen entstehen durch das Bestreben der Oberfläche, die Oberflächenenergie zu minimieren, durch Adsorption und Diffusion sowie durch Temperatur, Druck und das Herstellungsverfahren. Rekonstruktionen verändern die Oberflächenordnung relativ zum inneren Kristallgitter. Je nach Material und Bedingungen können Strukturen stabil oder zeitlich veränderlich sein; auch das Anlegen von Sekundärstrukturen durch weitere Reaktionen ist möglich.

Beispiele: Typische rekonstruktive Oberflächen sind Si(111)7×7 oder Au(111) mit dem charakteristischen Heringbonemuster. Graphen oder andere zweidimensionale Schichten auf Metalloberflächen zeigen ebenfalls auffällige Flächenstrukturen. Selbstorganisierte Monolagen (Self-assembled monolayers) erzeugen regelmäßig periodische Muster, die Oberflächenchemie und -physik beeinflussen.

Methoden der Untersuchung: Flächenstrukturen werden meist bildgebend mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) erfasst. Ergänzend kommen Beugungstechniken wie LEED oder RHEED sowie spektrale Methoden (XPS, Auger) und performing transmisións- oder reflektionsbasierte Analysen zum Einsatz, um Struktur und Zusammensetzung zu bestimmen.

Bedeutung: Flächenstrukturen beeinflussen Katalyse, Oberflächenreaktionen, Korrosionsverhalten, epitaktisches Wachstum und die Entwicklung von nanostrukturierten Materialien sowie von Oberflächenmustern in der Nanofertigung.