Photoemissions-Elektronenmikroskopie an Adsorbatsystemen

Die Photoemissions-Elektronenmikroskopie ist eine hervorragend geeignete Methode zur Untersuchung dynamischer Vorgänge auf realen polykristallinen Oberflächen im sub-μm Bereich. Bei der Anwendung auf Adsorbatsysteme lassen sich geringe Bedeckungsunterschiede, sowie Adsorbatstrukturen und -phasen unterscheiden. Die Methode erlaubt dabei ein breites Anwendungsspektrum über weite Temperaturbereiche und Systeme unterschiedlichster Bindungsenergie. Bei der Chemisorption von Sauerstoff auf polykristallinen Metallen wird unterschiedliches Aufwachsverhalten in den Helligkeitswerten im Mikroskopbild widergespiegelt. Bei Kupferproben zeigen Oberflächen mit unterschiedlicher kristalliner Richtung aufgrund der Symmetrie des fcc-Gitters ein ähnliches Verhalten. Das hexagonale Gitter des Titans zeigt dagegen große Unterschiede im Adsorptionsverhalten in Abhängigkeit der kristallinen Richtung. Diese Unterschiede konnten auf verschiedene Haftkoeffizienten und Oxidationsstufen der Metalle zurückgeführt werden. In einem Modell zur Photostromanalyse konnte beim Kupfer der Übergang von verschiedenen Überstrukturen bei wachsender Bedeckung gezeigt und die Übergänge ermittelt werden.. Auf den Titanoberflächen wurde so das Wachstum der Oxide TiO, TiO<SUB>2</SUB> und Ti<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> unterschieden und die Übergänge des unterschiedlichen Wachstums ermittelt. Bei der thermischen Desorption der Schichten konnten unterschiedliche Haftkoeffizient auf einzelnen Kristalliten qualitativ gezeigt werden. Diese erstmalig eingesetzte Analysemethode weist Ähnlichkeiten zur Thermo-Desorptions-Spektroskopie (TDS) auf, zeigt jedoch ortsaufgelöst lokale Unterschiede auf polykristallinen Oberflächen. Bei thermisch gestützten Oberflächenreaktionen ließen sich die Reaktionskeime deutlich identifizieren und mit einer Grauwertanalyse konnte die Oxidation der karbidischen Lagen zu Kohlenmonoxid und die Metalloxidation unterschieden werden. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Reaktionskeime nur an Plattengrenzen auftreten, nicht jedoch auf der Oberfläche. Durch die Aufrauhung der Plattengrenzen mit zunehmender Reaktionsdauer nimmt die Zahl der Reaktionskeime kontinuierlich zu, die laterale Ausdehnung der Einzelreaktionen bleibt aber konstant. Bei der Physisorption von Xenon auf Graphit wurde erstmals für die Photoemissionsmikroskopie die resonanten Anregung ausgenutzt. Die verschiedenen Phasen des Adsorbats können dabei deutlich unterschieden werden; bei niedrigen Temperaturen (40K) findet ein gleichmäßiges Wachstum auf der gesamten Oberfläche statt, bei höheren Temperaturen von 60-65K ist dagegen ein Inselwachstum in verschiedenen Phasen zu beobachten. Die zeitliche Entwicklung des Wachstums, die örtliche Lage der Phasen und die Phasenübergänge (gas, fest inkommensurabel, fest kommensurabel) konnten bestimmt werden. Bei der Desorption der Schichten konnten die einzelnen Phasen ebenfalls getrennt werden und das unterschiedliche Desorptionsverhalten sowie die Phasenübergänge selber verifiziert werden.

Photoemission electron microscopy is an excellent method for analysing dynamic behaviour on real surfaces with polycrystalline structures down to sub-μm ranges. The high surface-sensitivity of photoemission allows the imaging of adsorbate structures and -phases with high contrast and even small variations of coverage can be distinguished over a wide temperature range. In chemisorption of oxygen on polycrystalline metal surfaces a variation of image brightness occurs, caused by adsorbate growth on different crystallites. On copper surfaces the oxygen adsorbate grows similar on different crystallites due to the symmetry of the fcc-lattice. In contrast to that behaviour, the hexagonal lattice of titanium shows large variations of adsorbate growth depending on the crystalline direction of the surface. It could be shown, that these differences are caused by different sticking coefficients and oxidation stages of the metals. Analysing the photocurrent in a theoretical model, different adsorbate structures on the copper surface and their transitions could be identified. On polycrystalline titanium surfaces the growth of the oxides TiO, TiO<SUB>2</SUB>, and Ti<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> in different stages of adsorption could be shown. Thermal desorption of the oxygen layers, analysed by the same photocurrent method, shows different sticking coefficients on the crystallites. This new method is very similar to thermal-desorption-spectroscopy (TDS), but it allows to analyse local differences on polycrystalline surfaces. Imaging thermal induced surface reactions, the nucleation of the chemical reaction could be clearly identified. Analysing the grey-levels of the image, oxidation of carbide-layers to carbon monoxide and the oxidation of the metal substrate could be separated. The chemical reaction is located at edges and layer-boundaries and not on the surface of the carbide layers. Due to roughening of the layer boundaries the number of reaction nuclides increases continuously, but the lateral size of each reaction is constant. Physisorption is shown with xenon adsorption on graphite at low temperatures. For the first time in emission electron microscopy a resonant excitation of the xenon layer is used. This allows to separate the different phases of the adsorbate layer by local image brightness. At low temperatures (40 K) the xenon layer grows homogenously over the whole surface. At higher temperatures of 60-65 K island-growth with different phases could be observed. The evolution of the islands, the dimensions of different phases (gas, incommensurate solid, commensurate solid), and the phase transitions could be identified. The thermal desorption of the xenon layers also shows different phases and phase transition in island melting and desorption.