Oberflächenanalytik

Oberflächenanalytik ist ein Teilgebiet der Oberflächenwissenschaft, das sich mit der chemischen Zusammensetzung, Struktur und physikalischen Eigenschaften von Oberflächen und Grenzschichten von Materialien befasst. Ziel ist es, die äußersten Atomebenen zu charakterisieren, da Reaktivität, Haftung, Korrosion, Katalyse und Funktionsfähigkeit vieler Systeme stark von der Oberfläche abhängen.

Zu den zentralen Methoden gehören X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) und Auger-Elektronenspektroskopie (AES) zur Bestimmung von Elementen und chemischen Zuständen an der Oberfläche; Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) und LEIS für Oberflächenzusammensetzung und Grenzschichten. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) liefern Topografie und Morphologie bis auf Nanometerauflösung, während optische/elektronische Techniken wie Ellipsometrie und Reflectometrie Schichtdicken, optische Eigenschaften und Schichtstrukturen ausloten. Strukturbezogene Methoden umfassen Low-Energy Electron Diffraction (LEED) und Grazing-Incidence X-ray Scattering (GIXS) sowie X-ray Reflectometry (XRR) und -Diffraction. Ergänzend dienen Profilometrie, Kontaktwinkelmessungen und Kelvin-Kopf-Feldmikroskopie (KPFM) der Erfassung von Rauheit, Dicken und Oberflächenpotential.

Der Arbeitsablauf umfasst Probenvorbereitung, Messung unter Ultrahocher Vakuum oder kontrollierter Atmosphäre und anschließende Auswertung. Quantitative Ergebnisse erfordern geeignete Kalibrierungen, Standards und Modelle; Tiefenprofilierung durch Sputtern kann notwendig sein, beeinflusst aber die Substanz. Oberflächenanalytik liefert typischerweise spectra, Bilder, Tiefenverläufe und Quantifizierungen, die in vielen Bereichen von Halbleitertechnik über Katalyse bis zu Beschichtungs- und Energiespeicheranwendungen genutzt werden.