Kristalloberflächen

Kristalloberflächen bezeichnen die äußere Ebene eines Kristalls, die das Innenleben vom Umfeld trennt. An der Oberfläche fehlen Bindungspartner, wodurch Atome dort oft eine höhere Energie besitzen als im Kristallbulk. Die Oberflächeneigenschaften hängen von der Orientierung der Oberflächenebene, der Rekonstruktion und der Umgebung ab. Typische Phasen sind saubere Flächen, Rekonstruktionen oder Adlayers.

Oberflächenorientierung wird durch Miller-Indizes beschrieben (z. B. (100), (111)). Niedrigindexflächen treten häufig als facettenarme, energetisch günstigere Flächen auf. Die relative Bedeutung der Flächen ergibt sich aus der Oberflächenenergie; nach dem Wulff-Konstrukt bestimmt sie die Form eines Kristalls im Gleichgewicht. Zur Oberfläche gehören Terrassen, Stufen und Kanten, deren Arrangement durch thermische Fluktuationen, Adsorption und Ablagerungen beeinflusst wird.

Auf kristallinen Oberflächen finden wichtige Prozesse statt: Adsorption von Gasen oder Wassermolekülen, Diffusion von Oberflächenatomen, Rekonstruktionen, Umwandlungen von Oberflächenstrukturen und chemische Reaktionen. Diese Phasen spielen eine zentrale Rolle in der Katalyse, in der Elektronikherstellung sowie in der Sensorik. Umweltbedingungen wie Temperatur, Druck und chemische Umgebung können Oberflächenstrukturen stark verändern.

Historisch und technisch werden Kristalloberflächen in der Oberflächenwissenschaft untersucht, oft unter Ultraschallvakuumbedingungen. Wichtige Analysemethoden umfassen LEED zur Ordnungsstruktur, STM/AFM zur topografischen Abbildung, XPS/UPS zur chemischen Zusammensetzung und Elektronik, sowie RHEED und andere Beugungs-/Spektroskopiemethoden.

In der Praxis ermöglichen die Steuerung von Oberflächenorientierung, Rekonstruktionen und Adsorbaten die gezielte Optimierung von Reaktivität, Haftung und elektronischen Eigenschaften in technischen Anwendungen.