Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

PHYSIK UND CHEMIE AN OBERFLÄCHENMit Synchrotronstrahlung an Grenzen gehenDer Einsatz von Synchrotronstrahlung liefert eine Vielzahlwichtiger Beiträge zum Verständnis der Phänomene, diesich auf Ober- und Grenzflächen abspielen.Mit Synchrotronstrahlung können sowohl physikalische Eigenschaftenwie die räumliche Struktur oder die Elektronenverteilungvon Oberflächen als auch chemische Eigenschaftenvon sauberen und bedeckten Metall- und Metalloxid-Oberflächenermittelt werden. Der Einsatz von Synchrotronstrahlungzur Erforschung von weicher Materie wie Polymeren oder Kolloidennimmt ständig zu und auch biologische Grenzschichtenwerden in letzter Zeit in zunehmendem Maße mit Synchrotronstrahlunguntersucht.Für die Untersuchung von Oberflächen kommen unterschiedlicheMethoden zum Einsatz:Nach wie vor ist die Photoelektronenspektroskopie diewichtigste Methode zur Ermittlung der chemischen Zusammensetzungfester Oberflächen. Dabei werden die Elektronenvermessen, die aus der Probe bei einer Bestrahlung herausgelöstwerden. Durch die an Synchrotronstrahlungsquellen verfügbarenhöheren Intensitäten und besseren Strahlqualitätenkönnen Experimente mit fester Photonenenergie wie die Photoelektronenspektroskopie(XPS, UPS) und Röntgenbeugung(XRD) im Vergleich zum Labor erweitert werden. Die an Synchrotronsstrahlungsquellenfrei wählbaren Photonenenergienermöglichen – im Unterschied zu den bei fester Wellenlängebetriebenen Laborgeräten – in einfacher Weise die Ermittlungvon XPS-Tiefenprofilen. In letzter Zeit hat XPS mit Photonenhoher Energie viel Aufmerksamkeit erfahren, weil mit dieserMethode verborgene Grenzflächen untersucht werden können.Die Möglichkeit, die Photonenenergie zu variieren, spielt aucheine wichtige Rolle auf dem Gebiet von UPS, bei der ultraviolettestatt Röntgenstrahlung zum Einsatz kommt. In diesemZusammenhang stehen auch die photoelektronenbasierteMikroskopie und die Spektromikroskopie, für die in vielenFällen Synchrotronstrahlung unabdingbar ist.Um unbedeckte Einkristalloberflächen sowie organischeDünnstschichten zu untersuchen, kommt die Oberflächenröntgenbeugungzum Einsatz. Ein besonderes Forschungsinteresseerfahren dabei Langmuir-Blodgett-Filme, Polymere, selbstassemblierendeMonolagen und metallorganische Gerüste.Oberflächen werden auch mit Hilfe der Absorptionsspektroskopieuntersucht, bei der die Durchlässigkeit der Proben inAbhängigkeit der Photonenergie ermittelt wird. Während eineder grundlegenden Absorptionsspektroskopietechniken, dieRöntgenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie (extended X-rayabsorption fine structure spectroscopy, EXAFS), nur wenig zurErforschung von Oberflächen eingesetzt wird, ist die Nahkanten-Röntgenabsorptionsfeinstruktur-Spektroskopie(near edgex-ray absorption fine structure spectroscopy, NEXAFS) eine vonvielen Arbeitsgruppen verwendete Methode, um die chemischenEigenschaften von Oberflächen zu untersuchen oder die räumlicheStruktur und Elektronenverteilung organischer und molekularerSchichten zu bestimmen. Dieses Gebiet ist nicht nurfür die heterogene Katalyse von Bedeutung, sondern auch generellfür die Erforschung von Grenzflächen zwischen Metallenund weicher Materie. Ein besonders wichtiges Beispiel ist dieorganische Elektronik, bei der NEXAFS angewendet wird, um dieOrientierung und das Wachstum molekularer Adsorptionsschichtenauf festen Substraten zu studieren (siehe Forschungsbeispielauf der rechten Seite). Auch im Zusammenhangmit der Selbstassemblierung organischer Moleküle auf MetallundMetalloxid-Oberflächen spielt NEXAFS eine wichtige Rolle.Kürzlich wurde eine auf NEXAFS beruhende Mikroskopiemethodeetabliert, durch die wertvolle Einblicke in die Mikrostrukturvon (Bio-)Polymeren gewonnen werden konnten.Eine weitere Technik, der in letzter Zeit immer größere Aufmerksamkeitgewidmet wird, ist die Röntgenemissionsspektroskopie(X-ray emission spectroscopy, XES). Sie ist eine universelleinsetzbare Methode, mit der sich sogar die Elektronenverteilungvon Isolatoren bestimmen lässt. Da bei dieser Technikweder primäre noch sekundäre Elektronen, sondern Photonengemessen werden, können Experimente auch bei höheren Drükkenund an pulverförmigen Materialien durchgeführt werden.Durch die Eindringtiefe der Strahlung ermöglicht die XES darüberhinaus die Untersuchung verborgener Grenzflächen. Die(Fluoreszenz-) Ausbeute ist jedoch relativ gering; aussagefähigeMessergebnisse können nur unter Verwendung von sehrintensiver Synchrotronstrahlung erhalten werden.28 Synchrotronstrahlung 2009