Oberflächenstrukturen

Oberflächenstrukturen bezeichnen die räumliche Anordnung von Atomen, Molekülen und Fehlstellen an der Grenzfläche eines Materials. Sie entstehen dort, wo das innere Kristallgitter an die Umgebungsphase (Gas, Flüssigkeit oder ein anderer Feststoff) grenzt. Typische Merkmale sind atomare oder nanometer skala Strukturen wie Terrassen, Stufen, Kristallfacetten, Oberflächenrekonstruktionen sowie adsorbierte oder selbstorganisierte Schichten. Die Oberflächenstruktur kann flach erscheinen oder rau, regelmäßig oder unstrukturiert sein und reicht von idealisierten Ebenen bis zu komplexen Muster, die sich durch thermodynamische Gleichgewichte und äußere Einflüsse ergeben.

Die Struktur wird durch das Gleichgewicht von Oberflächenenergie, Kristallgitterrauheit, Temperatur, chemischer Umgebung und mechanischer Belastung bestimmt. Rekonstruktionen verändern die Oberflächenordnung, um die Oberflächenenergie zu minimieren; Adsorption von Atomen oder Molekülen kann neue Muster erzeugen oder bestehende Strukturen verändern. Rauheit, Größe und Form der Oberflächenmerkmale haben direkten Einfluss auf physikalische Eigenschaften wie Reibung, Haftung, Optik, Elektronentransport und chemische Reaktivität.

Zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen stehen räumliche Messtechniken wie Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM), sowie Beugungsmethoden (LEED, RHEED) und bildgebende Verfahren (SEM, TEM) im Vordergrund. Ergänzend liefern Spektroskopieverfahren wie XPS oder Auger-Elektronen-Spektroskopie chemische Informationen. Mittels Rauheitsparametern wie Ra oder Rz lässt sich die Oberflächenrauhigkeit quantifizieren, die oft mit Funktionseigenschaften korreliert.

Oberflächenstrukturen sind entscheidend für Anwendungen in der Katalyse, Sensorik, Halbleitertechnik, Korrosionsschutz, Optik und Tribologie. Typische Beispiele umfassen rekonstruktionsbedingte Si(111)7x7- bzw. Au(111)-Muster sowie selbstorganisierte Nanopartikel-Arrays.