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Surface Physics
 
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Oberflächenphysik

Kurze Beschreibung

"Das Volumen des Festkörpers wurde von Gott geschaffen, seine Oberfläche aber wurde vom Teufel gemacht."

Dieser Ausspruch wird dem Physiker und Nobelpreisträger Wolfgang Pauli zugeschrieben und soll unmissverständlich klar machen, dass eine Oberfläche der wohlgeordneten und gut verstandenen Welt der Festkörper klare Grenzen setzt.

Unter der Oberfläche eines kristallinen Festkörpers versteht man den Bereich, in dem die geometrische und elektronische Struktur sich merklich von der des Festkörpervolumens unterscheidet; das sind im Wesentlichen einige wenige Atomlagen von der Oberfläche aus gezählt. Tatsächlich führt die Existenz von Oberflächen zu neuen physikalischen Eigenschaften, die sich von denen des Volumens eines Festkörpers grundlegend unterscheiden.

Oberflächen von festen Stoffen, vor allem von Metallen oder Halbleitern, spielen in vielen Bereichen der Wissenschaft, aber auch des täglichen Lebens eine wichtige Rolle. Oft ist die Funktion eines Materials gerade durch die Eigenschaften seiner Oberfläche bestimmt  (Aneinander-Haften verschiedener Materialien, Reflektionsvermögen von Oberflächen bei optischen Anwendungen, oder katalytische Eigenschaften von Oberflächen, z.B. in einem Abgaskatalysator). Für die moderene Mikroelektronik und für die sog. Nanotechnologie stellt die Oberflächenphysik eine Grundlagenwissenschaft dar.   

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Rastertunnelmikroskopieaufnahme einer einkristallinen Siliziumoberfläche. Man erkennt ausgedehnte atomar glatte Terassen, die durch einatomar hohe Stufen voneinander getrennt sind.

Gerade bei künstlich geformten Festkörpern, wie sie die Miniaturisierung in vielen Bereichen der Technik mit sich bringt,  wird die Beherrschung der Oberflächeneigenschaften im weiteren Sinne  (Topographie, strukturelle und elektronische Störstellen, chemische Zusammensetzung u.a.) zu einer zentralen Frage für deren Funktionalität: Infolge der immer feineren Strukturen der Mikrokomponenten nimmt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen immer mehr zu und die Eigenschaften der Materialien werden zu einem entscheidenden Teil durch ihre Grenzflächen bestimmt.



Was passiert hier genau?

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Wellenpaketdynamik eines Elektrons vor einer Metalloberfläche, die mit Hilfe der Zwei-Photonen-Photoemission (2PPE)zeitaufgelöst beobachtet wird.

Die Wissenschaftler der AG Oberflächen am Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg behandeln verschiedene, wichtige Aspekte der Oberflächenphysik. Schwerpunkte der Untersuchungen bilden Diffusionsvorgänge, vibratorische Anregungen, einfache chemische Reaktionen, sowie die Dynamik von elektronischen Anregungen an Metall- und Halbleiteroberflächen.
Die Experimente werden im allgemeinen an einkristallinen Oberflächen im Ultrahochvakuum (UHV) durchgeführt. Bei einem Druck von 10-11 mbar, der um 14 Größenordungen unter dem Umgebungsdruck liegt, lassen sich die Bedingungen besonders gut definieren und kontrollieren. Neuere Untersuchungen zielen auch auf das Verständis verborgener Grenzflächen zwischen zwei Festkörpern.
Dabei werden eine Reihen von Techniken angewandt (meist werden mehrere Untersuchungsmethoden in den Vakuumapparaturen kombiniert, um die verschiedenen Aspekte der Oberflächeneigenschaften parallel zu bestimmen):



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Ultrahochvakuumapparatur zur Zwei-Photonen-Photoemission mit ultrakurzen Laserimpulsen.

Einige dieser Methoden (2PPE, 5WM) verwendeten ultrakurze Laserimpulse und erlauben es elektronische Prozesse mit einer Zeitauflösung von einigen Femtosekunden zu verfolgen. Mit dem STM können wir einzelne Atome auf Oberflächen abbilden. Genaueres zu den einzelnen Methoden und zu den untersuchten Systemen kann man unter den einzelnen Links oder auf der Homepage der AG Oberflächen erfahren.



Bilder aus unseren Labors findet man hier

Zuletzt aktualisiert: 27.04.2015 · armbrusn

 
 
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