Adsorptionsuntersuchungen mittels Reflektionsspektroskopie

Die Beobachtung der Adsorption auf Oberflächen in-situ und in Echtzeit ist Vorraussetung für eine effektive Kontrolle der Deposition dünner Filme, wie sie für Beschichtungen, als Schutz oder zur Funktionalisierung von Festkörperoberflächen benötigt werden. Verschiedene oberflächen-analytische Methoden stehen zur Charakterisierung der Adsorptionskinetik, der chemischen Zusammensetzung sowie der Struktur des wachsenden Films zur Verfügung. Zusätzlich zu den konventionellen Analysemethoden möchten wir eine optische Methode - die Reflektions- Differenzspektroskopie (RDS) - als neue und extrem oberflächenempfindliche Methode zur Untersuchung der Adsorption von Molekülen auf Metalloberflächen einführen. Während sich RDS als leistungsfähige Metode zur Charakterisierung des Wachstums dünner Filme auf Halbleiteroberflächen etablieren konnte, wurde diese Methode bislang nur sehr selten für Untersuchungen auf Metallen angewendet. Erste Experimente in unserem Labor zeigen jedoch, dass das RDS Signal von reinen Metalloberfächen besonders stark ist und extrem empfindlich auf die Adsorption von Atomen und Molekülen reagiert. Diese erhöhte Empfindlichkeit ist bedingt durch die speziellen elektronische Struktur der Metalloberflächen. In einigen Fällen liegt die Nachweisgrenze adsorbierter Moleküle, Oberflächendefekte oder Verunreinigungen deutlich niedriger als bei konventionellen Analyseverfahren. Neben der Untersuchung der Adsorption, eignet sich RDS zur Analyse struktureller und morphologischer Änderungen in der Adsorbatschicht. Darüber hinaus sind auch elektronische Zustände sowie deren Modifikation aufgrund der Adsorption mit RDS spektroskopisch zugänglich. Ein Problem der Anwendung von RDS ist die Interpretation der gewonnenen Daten - insbesondere die Korrelation zwischen den beobachteten Änderungen des RDS Signals mit der tatsächlichen Struktur der Oberfläche oder Adsorbatschicht. Um diesbezüglich das Verständnis zu verbessern und RDS zu einer leistungsfähigen und quantitativen Methode zur Analyse der Adsorption zu entwickeln, beabsichtigen wir, ausgesuchte Modellsysteme mit RDS zu untersuchen und die Ergebnisse mit den Resultaten komplementärer Analysemethoden (STM, LEED, TPD, AES) zu vergleichen. Im Rahmen dieses Projektes ist geplant, die Adsorption von CO auf Cu(110), die molekulare Adsorption und Dissoziation von Sauerstoff sowie die Bildung der Sauerstoff induzierten Cu(100)-(2x1)O Rekonstruktion zu untersuchen. Weiters sollen mittels RDS das Filmwachstum sowie die technologisch relevanten elektronisch- optischen Eigenschaften einfacher organischer Moleküle wie Pentacen und Perylen auf der Cu(110) Oberfläche untersucht werden.

Für die Analyse von Adsorptionsphänomenen auf Oberflächen bedarf es Methoden höchster Oberflächensensitivität. Bislang waren die Methoden sehr komplex bzw. haben Bedingungen (z.B. Ultra-Hoch- Vakuum) bedurft, die ihre Anwendung aufwendig machten und zum Teil stark einschränkten. Im Rahmen dieses Projektes ist es nun gelungen eine Methode für die Analyse von Adsorptionsphänomenen anzuwenden, die auf der Messung der optischen Anisotropie der Proben beruht. Diese als Reflectance Difference Spectroscopy (RDS) bezeichnete Methode ist insbesondere bei anisotropen Oberflächen von Kristallen mit kubischen Struktur ( die Struktur vieler Metalle) extrem oberflächenempfindlich. Im Gegensatz zu vielen anderen Methoden benötigt sie kein Vakuum. Im Rahmen dieses Projektes wurde diese Methode auf die Adsorption von CO, O2 , N2 und organischen Molekülen auf Cu(110) und TiO2 angewendet. Bei diesen Studien konnte die Adsorption zum einen aufgrund der Veränderung des Substratsignale und zum anderen mittels Identifikation von adsorbat-spezifischen Charakteristika im RD- Spektrum analysiert werden. Die RDS Daten wurden jeweils mit in-situ Messungen etablierter Methoden korreliert. Die in die RDS-Analyse gesetzten Erwartungen wurden dabei voll erfüllt: RDS erwies als extrem empfindlich auf geringe Mengen CO auf Cu(110). RDS ermöglichte die Identifizierung der durch CO und O Adsorption auf Cu(110) erzeugten Überstrukturen und Rekonstruktionen Zeitaufgelöste RDS Messungen bei bestimmten Anregungsenergien haben es ermöglicht kinetische Prozesse während der Adsorption zu analysieren. Die Orientierung von p-6P Molekülen auf Cu(110) und Cu(110)-(2x1)O konnte mit RDS zweifelsfrei identifiziert werden. Die Anwesenheit von Sauerstoff auf Cu(110) bewirkt dabei eine Drehung der Ausrichtung der länglichen p-6P Moleküle um 90. Mittels RDS konnte gezeigt werden, dass p-6P selektiv auf den Cu(110) Streifen der CuCuO Streifenphase adsorbiert. Im Rahmen dieses Projektes ist es somit gelungen die Anwendbarkeit von RDS auf Adsorptionsphänomene zu belegen und diese Methode für weitere Studien im Bereich molekularer Adsorption zu etablieren. Eine Ausdehnung der Anwendung von RDS auf Untersuchung von organischen Heterostrukturen und die Analyse katalytischer Prozesse erscheint vielversprechend.