Surface and Interface Science - Cheatsheet

Oberflächenspannung und Energie

Definition:

Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung und der Energetik an Oberflächen und Grenzflächen. Definiert als Arbeit pro Fläche, um eine Flüssigkeitsoberfläche zu vergrößern.

Details:

• Oberflächenspannung γ: \( \gamma = \frac{{dW}}{{dA}} \)
• Einheit: \( \text{{N/m}} \) oder \( \text{{J/m}}^2 \)
• Youngsches Gesetz: \( \gamma_{SG} = \gamma_{SL} + \gamma \cos(\theta) \)
• Einflussfaktoren: Temperatur, Verunreinigungen, Molekulare Anordnungen an der Oberfläche
• Anwendungen: Benetzung, Kapillarkräfte, Tropfenformen, Linsen, Emulgatoren

Techniken der Rasterkraftmikroskopie (AFM)

Definition:

Rasterkraftmikroskopie (AFM) verwendet einen feinen, spitzen Nanomechanischen Sensor zur Abtastung und Wechselwirkung mit einer Oberflächenprobe auf atomarer Ebene.

Details:

• Betriebsarten: Kontaktmodus, Tapping-Modus, Nicht-Kontaktmodus
• Messgrößen: Topographie, Oberflächenpotential, mechanische Eigenschaften
• Einflussfaktoren: Kraftkonstanten, Spitzenradius
• Hauptkomponenten: Cantilever, Laser, Photodetektor
• Bildgebung: Hohe Auflösung, 3D-Darstellungen
• Anwendung: Materialwissenschaften, Biologie, Nanotechnologie
• Wichtige Gleichungen: Hookesches Gesetz \( F = -k \cdot \Delta z \)

Katalyse an Oberflächen

Definition:

Katalyse an Oberflächen umfasst die Beschleunigung chemischer Reaktionen durch Wechselwirkungen an Grenzflächen, meist festes Material und gasförmige oder flüssige Reaktanten.

Details:

• Heterogene Katalyse: Reaktanten in anderer Phase als Katalysator
• Aktive Zentren: spezifische Atome/Strukturen, die Reaktionen erleichtern
• Grundlage: Adsorption -> Reaktion -> Desorption
• Beispiel: Haber-Bosch-Verfahren, Ammoniaksynthese auf Eisenkatalysator

Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)

Definition:

Analysiertechnik zur Untersuchung der Oberflächenzusammensetzung durch Beschuss der Oberfläche mit Primärionen, die Sekundärionen freisetzen, die dann massenspektrometrisch detektiert werden.

Details:

• Primärionenstrahl: Cs\textsuperscript{+}, O\textsuperscript{2+}, Ar\textsuperscript{+}
• Sekundärionenerzeugung: Oberflächenatome oder -moleküle werden ionisiert und gelöst
• Detektion: Quadrupol, Time-of-Flight (ToF), Magnetsektor
• Informationen: Element- und Isotopenzusammensetzung, Tiefenprofilanalyse, 2D/3D-Bildgebung
• Hohe Empfindlichkeit bis ppb-Bereich, hohe Laterale Auflösung
• Anwendungen: Halbleiterindustrie, Materialwissenschaften, Geochemie

Korrosionsschutzmechanismen

Definition:

Verfahren und Mechanismen zum Schutz von Materialien vor Korrosion.

Details:

• Passivierung: Schutzschichtbildung durch Oxidation auf Metalloberflächen.
• Korrosionsschutzmittel: Chemikalien, die korrosive Reaktionen inhibieren.
• Galvanisierung: Aufbringen eines Schutzmetalls durch elektrochemische Ablagerung.
• Kathodischer Schutz: Korrosionsschutz durch Anlegen einer äußeren Spannung oder Opferanoden.
• Beschichtung: Abdeckung der Oberfläche mit nicht-metallischen Schichten wie Lacken oder Kunststoffen.
• Legierung: Zugabe korrosionsbeständiger Metalle wie Chrom oder Nickel.

Phasenumwandlungen an Oberflächen

Definition:

Phasenumwandlungen an Oberflächen betreffen Änderungen der Struktur oder des Zustandes (z.B. von fest zu flüssig) der Oberfläche eines Materials.

Details:

• Einflussfaktoren: Temperatur, Druck, Zusammensetzung
• Beobachtung durch Techniken wie STM, AFM und RHEED
• Relevanz in der Katalyse und Materialforschung
• Oberflächenenergie und Gitterparameter können sich ändern
• Gibbs'sche Phasenregel:
• Beispiel: (100)-Oberfläche von Si bei hoher Temperatur

Elektronenstruktur und chemische Bindungen an Oberflächen

Definition:

Untersucht die elektronischen Zustände und chemischen Bindungen an Oberflächen. Wichtig für Katalyse, Korrosion und Oberflächenmodifikationen.

Details:

• Elektronenstruktur: Bandstrukturen, Zustandsdichte (DOS), Oberflächenzustände.
• Chemische Bindungen: Adsorption, Desorption, Bindungsarten (kovalent, ionisch, metallisch).
• Methoden: XPS, UPS, LEED, STM.
• Oberflächenmodifikation: Funktionalisierung, Passivierung.
• Anwendungen: Katalysatoren, Sensoren, Nanomaterialien.

Diskussion und Interpretation von experimentellen Daten

Definition:

Interpretation und Diskussion der Ergebnisse von Experimenten zur Analyse von Oberflächen und Grenzflächen.

Details:

• Datenaufbereitung: Rohdaten in für Analyse geeignete Form bringen
• Statistische Analyse: Mittelwert, Standardabweichung, Fehlerberechnung
• Vergleich mit Modellen: Überprüfung, ob Daten theoretische Modelle unterstützen oder widerlegen
• Hypothesen testen: Bestätigung oder Verwerfung von wissenschaftlichen Hypothesen
• Qualitative und quantitative Analyse: Strukturanalysen (z. B. mittels AFM, STM) und Zusammensetzungsanalysen (z. B. mittels XPS, AES)
• Interpretationen dokumentieren: Ergebnisse müssen verständlich und nachvollziehbar aufgeschrieben werden
• Grafische Darstellungen: Visualisierung von Daten durch Diagramme und Plots