Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Methoden
M41: Thermische Desorptionsspektroskopie
(TDS)
M41: Thermische Desorptionsspektroskopie (TDS)
Bei dieser Untersuchungsmethode werden
Atome oder Moleküle, die auf eine Oberfläche
adsorbiert oder aufgedampft worden sind, durch
Temperaturerhöhung der Probe wieder von deren
Oberfläche desorbiert. Mit dieser im Prinzip einfachen
Methode kann man eine Reihe von kinetischen
und energetischen Parametern bestimmen,
die die Wechselwirkung zwischen Gasen und Oberflächen
charakterisieren. Diese Untersuchungen
werden vorzugsweise unter Ultrahochvakuumbedingungen
durchgeführt (10 -10 mbar), da geringste
Einflüsse aus dem Restgas eine entscheidende
Rolle spielen.
Ein TDS-Experiment läuft folgendermaßen ab:
Zuerst wird die Probenoberfläche gereinigt (meist
durch Ionenbeschuss oder durch Heizen) und dann
wird die Probe bei geeigneter Temperatur (Raumtemperatur,
aber oft auch bei der Temperatur des
flüssigen Stickstoffs, -196°C) einem Gas ausgesetzt
(z.B. Wasserstoff, CO, H 2 O etc.) oder auch mit
kondensierbaren Atomen oder Molekülen bedampft
(organische Moleküle, Metalle etc.). Nachdem eine
bestimmte Menge adsorbiert oder aufgedampft
worden ist, wird die Probe linear aufgeheizt (typische
Heizraten 1– 5 K /s). Bei entsprechenden
Temperaturen desorbieren (verdampfen) dann die
Teilchen von der Oberfläche, diese werden mit
Hilfe eines Massenspektrometers detektiert. Das
führt zuerst zu einem Ansteigen des Signals (wegen
der zunehmenden Desorptionsrate) und dann
wieder zu einem Abfall (da immer weniger Teilchen
vorhanden sind). Aus dem speziellen Verlauf des
Teilchensignals (Desorptionsspektrum) kann man
folgende Informationen gewinnen: Das Integral
unter dem Desorptionsspektrum ist zur Menge
des adsorbierten Materials proportional. Bei geeigneter
Kalibrierung kann man somit quantitativ
die Oberflächenbedeckung bestimmen. Die Temperatur,
bei der das Desorptionsmaximum auftritt,
ermöglicht die Bestimmung der Adsorptionsenergie
(Adsorptionswärme, Verdampfungswärme). Aus
der Form des Desorptionsspektrums kann man
weiterhin die Anzahl der Adsorptionszustände und
die Ordnung der Desorptionsreaktion bestimmen,
d.h. man kann z.B. herausfinden, ob das Adsorbat
auf der Oberfläche dissoziiert vorliegt, ob laterale
Wechselwirkungen im Adsorbat vorliegen, ob die
erste adsorbierte Schicht stärker gebunden ist als
die darauffolgenden usw. In Verbindung mit der
Bestimmung der Gasexposition kann die Desorptionspektroskopie
weiters Aussagen über die Adsorptionskinetik,
sprich den Haftkoeffizienten und
dessen Bedeckungsbhängigkeit, machen.
Wenn auch die Thermischen Desorptionspektroskopie
hauptsächlich in der Grundlagenforschung
eingesetzt wird, sollen im Folgenden einige anwendungsorientierte
Beispiele genannt werden: Die
TDS eignet sich besonders zur Charakterisierung
der Wechselwirkung von Wasserstoffmolekülen
oder Wasserstoffatomen mit Oberflächen. Dies
ist z.B. relevant für die Wasserstoffspeicherung in
Metallen, für die Fusionstechnologie, für Reaktionen
im interstellaren Raum, für die heterogene Katalyse
etc. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für
TDS ist die organische Elektronik. Sie kann, vor
allem in Verbindung mit anderen Methoden (LEED,
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