Oberflächenrekonstruktion

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Eine Oberflächenrekonstruktion ist die Anordnung der Atome einer Festkörperoberfläche, wenn diese anders ist, als bei (gedanklichem) Durchschneiden des Kristallgitters des Volumens. Hierbei bleiben geringfügige Verschiebungen von Atomen (Oberflächenrelaxation) außer Betracht, wenn sie die Symmetrie der Oberfläche nicht ändern.

Rekonstruierte Oberflächen haben meist eine größere Einheitszelle als eine (manchmal hypothetische) unrekonstruierte Oberfläche desselben Kristallgitters. In diesem Fall spricht man auch von einer Überstruktur. Oft werden Rekonstruktionen durch die Angabe der Überstrukturzelle bezeichnet; allerdings ergibt sich daraus noch nicht die Atomanordnung der rekonstruierten Oberfläche.

Grund für die Ausbildung von Oberflächenrelaxationen ist die Verringerung der freien Energie. In den meisten Fällen hat die rekonstruierte Oberfläche auch die geringste Gesamtenergie (Oberflächenenergie) und ist auch am absoluten Nullpunkt die günstigste Oberflächenstruktur.

Halbleiteroberflächen

Die Oberflächenrekonstruktionen von Halbleiteroberflächen können meistens damit erklärt werden, dass die Anzahl der „abgeschnittenen“ Bindungen (nicht abgesättigte Bindungen, engl. dangling bonds) minimiert werden.

Si(100): Beim (gedanklichen) Durchschneiden eines Siliciumkristalls (Diamantgitter) entlang der (100)-Ebene werden zwei Bindungen je Siliciumatom aufgebrochen. Paare von jeweils benachbarten Siliciumatomen binden mit jeweils einer der abgeschnittenen Bindungen aneinander und bilden sogenannte Dimere.[1] Es bleibt nur mehr eine unabgesättigte Bindung je Siliciumatom. Dabei verzerrt sich das Gitter so, dass jeweils ein Atom im Dimer höher, eines tiefer steht (engl. buckled dimer); unmittelbar benachbarte Dimere sind dabei entgegengesetzt ausgerichtet. Bei Raumtemperatur wechseln die Dimere aber durch thermische Anregungen rasch ihre Ausrichtung und erscheinen im Rastertunnelmikroskop symmetrisch.

Die stabile Oberfläche der Si(111)-Oberfläche hat eine komplexe (7×7)-Rekonstruktion. Die Struktur, das Dimer-Adatom-Stapelfehler-Modell (engl. dimer adatom stacking fault, DAS) wurde 1985 von K. Takayanagi und Mitarbeitern vorgeschlagen,[2] wobei Messungen von Gerd Binnig und Mitarbeitern[3] mit dem Rastertunnelmikroskop eine wichtige Grundlage bildeten.

Metalloberflächen

STM-Messung der Rekonstruktion der (100)-Fläche eines Gold-Einkristalls

Bei den Oberflächen reiner Metalle sind Rekonstruktionen weniger häufig als bei Halbleitern; eine Ausnahme bilden die kubisch flächenzentrierten Edelmetalle der 6. Periode, Ir, Pt und Au. Bei diesen drei Metallen rekonstruieren die (100)-Oberflächen und bilden statt des quadratischen Gitters der kubisch flächenzentrierten Struktur eine hexagonal dicht gepackte Atomlage an der Oberfläche aus. Die (110)-Oberflächen dieser Metalle zeigen eine „missing row“-Rekonstruktion; dabei fehlt jede zweite dichtgepackte Atomreihe. Bei Gold rekonstruiert auch die (111)-Oberfläche; die oberste Atomlage ist kontrahiert (Fischgräten-Rekonstruktion, engl. herringbone reconstruction). Diese Rekonstruktionen werden von der besonders niedrigen Oberflächenenergie hexagonal dichter Oberflächen dieser Metalle und einer hohen Zugspannung in der Oberfläche hervorgerufen.

Nichtleiter

Bei Nichtleitern, insbesondere Ionenkristallen und den meisten Oxiden liegt ein häufiger Grund für die Ausbildung von Oberflächenrekonstruktionen darin, dass Oberflächen makroskopischer Objekte elektrisch weitgehend neutral („ladungskompensiert“) sein müssen.[4] Beispielsweise wäre eine unrekonstruierte (111)-Oberfläche des NaCl-Gitters eine polare Oberfläche, das heißt, dass die oberste Atomlage entweder nur aus positiven oder nur aus negativen Ionen bestünde, was zu einem extrem hohen elektrischen Feld führen würde. Dies kann durch eine Rekonstruktion vermieden werden, bei der ein Teil der Ionen in der obersten Atomlage fehlt.

Adsorbat-induzierte Rekonstruktionen und Dekonstruktion

Rekonstruktionen können auch durch Adsorbatatome oder -moleküle hervorgerufen werden. Meistens ordnen sich dabei die Oberflächenatome so um, dass eine günstige Bindungsgeometrie für das Adsorbat geschaffen wird.

Viele Rekonstruktionen reiner Oberflächen werden allerdings auch durch Adsorbate aufgehoben. Beispielsweise können die dangling bonds von Siliciumoberflächen durch Wasserstoff abgesättigt werden, wodurch der Grund für die Rekonstruktion wegfällt.

Literatur

  •  K. Oura, V.G. Lifshits, A.A. Saranin, A.V. Zotov, M. Katayama: Surface Science: An Introduction. Springer-Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-540-00545-5.
  •  Charles Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 14. Auflage. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 2006 (Originaltitel: Introduction to Solid State Physics, übersetzt von Siegfried Hunklinger), ISBN 3-486-57723-9, S. 532 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).

Einzelnachweise

  1.  D. J. Chadi: Atomic and Electronic Structures of Reconstructed Si (100) Surfaces. In: Physical Review Letters. 43, Nr. 1, 1979, S. 43–47, doi:10.1103/PhysRevLett.43.43.
  2.  K. Takayanagi, Y. Tanishiro, M. Takahashi, S. Takahashi: Structural-analysis of Si (111)-7×7 by UHV-transmission electron diffraction and microscopy. In: Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum Surface Films. 3, Nr. 3, 1985, S. 1502–1506, doi:10.1116/1.573160.
  3.  G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel: 7 × 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space. In: Physical Review Letters. 50, Nr. 2, 1983, S. 120–126, doi:10.1103/PhysRevLett.50.120.
  4.  Jacek Goniakowski, Fabio Finocchi, Claudine Noguera: Polarity of oxide surfaces and nanostructures. In: Reports on Progress in Physics. 71, Nr. 1, 2008, S. 016501, doi:10.1088/0034-4885/71/1/016501.

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