Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal
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PHYSIK UND CHEMIE AN OBERFLÄCHENMit <strong>Synchrotronstrahlung</strong> an Grenzen gehenDer E<strong>in</strong>satz von <strong>Synchrotronstrahlung</strong> liefert e<strong>in</strong>e Vielzahlwichtiger Beiträge zum Verständnis der Phänomene, diesich auf Ober- und Grenzflächen abspielen.Mit <strong>Synchrotronstrahlung</strong> können sowohl physikalische Eigenschaftenwie die räumliche Struktur oder die Elektronenverteilungvon Oberflächen als auch chemische Eigenschaftenvon sauberen und bedeckten Metall- und Metalloxid-Oberflächener<strong>mit</strong>telt werden. Der E<strong>in</strong>satz von <strong>Synchrotronstrahlung</strong>zur Erforschung von weicher Materie wie Polymeren oder Kolloidennimmt ständig zu und auch biologische Grenzschichtenwerden <strong>in</strong> letzter Zeit <strong>in</strong> zunehmendem Maße <strong>mit</strong> <strong>Synchrotronstrahlung</strong>untersucht.Für die Untersuchung von Oberflächen kommen unterschiedlicheMethoden zum E<strong>in</strong>satz:Nach wie vor ist die Photoelektronenspektroskopie diewichtigste Methode zur Er<strong>mit</strong>tlung der chemischen Zusammensetzungfester Oberflächen. Dabei werden die Elektronenvermessen, die aus der Probe bei e<strong>in</strong>er Bestrahlung herausgelöstwerden. Durch die an <strong>Synchrotronstrahlung</strong>squellen verfügbarenhöheren Intensitäten und besseren Strahlqualitätenkönnen Experimente <strong>mit</strong> 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 – <strong>in</strong> e<strong>in</strong>facher Weise die Er<strong>mit</strong>tlungvon XPS-Tiefenprofilen. In letzter Zeit hat XPS <strong>mit</strong> Photonenhoher Energie viel Aufmerksamkeit erfahren, weil <strong>mit</strong> dieserMethode verborgene Grenzflächen untersucht werden können.Die Möglichkeit, die Photonenenergie zu variieren, spielt auche<strong>in</strong>e wichtige Rolle auf dem Gebiet von UPS, bei der ultraviolettestatt Röntgenstrahlung zum E<strong>in</strong>satz kommt. In diesemZusammenhang stehen auch die photoelektronenbasierteMikroskopie und die Spektromikroskopie, für die <strong>in</strong> vielenFällen <strong>Synchrotronstrahlung</strong> unabd<strong>in</strong>gbar ist.Um unbedeckte E<strong>in</strong>kristalloberflächen sowie organischeDünnstschichten zu untersuchen, kommt die Oberflächenröntgenbeugungzum E<strong>in</strong>satz. E<strong>in</strong> besonderes <strong>Forschung</strong>s<strong>in</strong>teresseerfahren dabei Langmuir-Blodgett-Filme, Polymere, selbstassemblierendeMonolagen und metallorganische Gerüste.Oberflächen werden auch <strong>mit</strong> Hilfe der Absorptionsspektroskopieuntersucht, bei der die Durchlässigkeit der Proben <strong>in</strong>Abhängigkeit der Photonenergie er<strong>mit</strong>telt wird. Während e<strong>in</strong>eder grundlegenden Absorptionsspektroskopietechniken, dieRöntgenabsorptionsfe<strong>in</strong>strukturspektroskopie (extended X-rayabsorption f<strong>in</strong>e structure spectroscopy, EXAFS), nur wenig zurErforschung von Oberflächen e<strong>in</strong>gesetzt wird, ist die Nahkanten-Röntgenabsorptionsfe<strong>in</strong>struktur-Spektroskopie(near edgex-ray absorption f<strong>in</strong>e structure spectroscopy, NEXAFS) e<strong>in</strong>e 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. E<strong>in</strong> besonders wichtiges Beispiel ist dieorganische Elektronik, bei der NEXAFS angewendet wird, um dieOrientierung und das Wachstum molekularer Adsorptionsschichtenauf festen Substraten zu studieren (siehe <strong>Forschung</strong>sbeispielauf der rechten Seite). Auch im Zusammenhang<strong>mit</strong> der Selbstassemblierung organischer Moleküle auf MetallundMetalloxid-Oberflächen spielt NEXAFS e<strong>in</strong>e wichtige Rolle.Kürzlich wurde e<strong>in</strong>e auf NEXAFS beruhende Mikroskopiemethodeetabliert, durch die wertvolle E<strong>in</strong>blicke <strong>in</strong> die Mikrostrukturvon (Bio-)Polymeren gewonnen werden konnten.E<strong>in</strong>e weitere Technik, der <strong>in</strong> letzter Zeit immer größere Aufmerksamkeitgewidmet wird, ist die Röntgenemissionsspektroskopie(X-ray emission spectroscopy, XES). Sie ist e<strong>in</strong>e universelle<strong>in</strong>setzbare Methode, <strong>mit</strong> 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 E<strong>in</strong>dr<strong>in</strong>gtiefe der Strahlung ermöglicht die XES darüberh<strong>in</strong>aus die Untersuchung verborgener Grenzflächen. Die(Fluoreszenz-) Ausbeute ist jedoch relativ ger<strong>in</strong>g; aussagefähigeMessergebnisse können nur unter Verwendung von sehr<strong>in</strong>tensiver <strong>Synchrotronstrahlung</strong> erhalten werden.28 <strong>Synchrotronstrahlung</strong> <strong>2009</strong>