Positronen untersuchen Oberflächen

2016-01-13 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Physiker des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums und des Physik-Departments der TUM haben gezeigt, welche enormen Vorteile die Positronenannihilation induzierte Auger-Elektronenspektrometrie (PAES) bei der Erforschung von Oberflächen hat.

Zwei der Autoren, Christoph Hugenschmidt (links) und Samantha Zimnik (rechts) am Instrument NEPOMUC am MLZ. (Foto: W. Schürmann / TUM)

PAES ist eine neu entwickelte Methode zur Untersuchung von Oberflächen, mit der die Elementzusammensetzung der obersten Atomlage einer Probe untersucht werden kann. Bei PAES wird die Emission von Auger-Elektronen durch Positron-Elektronenzerstrahlung initiiert. Die Wissenschaftler untersuchten eine polykristalline Palladiumoberfläche, die mit einer rechnerisch halben Atomlage Nickel bedeckt war und verglichen die Ergebnisse mit denen komplementärer Untersuchungsmethoden wie der konventionellen Auger-Elektronenspektroskopie (AES) und der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS).

Die elementare Zusammensetzung von Oberflächen zu kennen ist äußerst wichtig, um Prozesse wie die Katalyse, aber auch viele andere, die sich auf Oberflächen abspielen, zu verstehen. Die chemische Zusammensetzung einer Palladium-Oberfläche beeinflusst beispielsweise ihre katalytische Fähigkeit entscheidend und spielt auch eine wichtige Rolle bei der mechanischen Stabilität von dünnen Membranen, die zur Reinigung in industriellen Prozessen eingesetzt werden.

Berechnungen zufolge sollte Nickel auf einer Palladiumoberfläche in die zweite Atomlage wandern. Erste AES-Messungen bei einer Temperatur von 550-800 ºC bestätigen diese Voraussage. Für ihre Experimente benutzen die Wissenschaftler Palladium, das auf der Oberfläche mit verschiedenen Mengen an Nickelatomen belegt war. Sie untersuchten mithilfe der Positronen-Elektronen-Annihilation, wie sich die Zusammensetzung der Palladium-Nickel-Menge mit der Zeit ändert und verglichen ihre Ergebnisse mit denen der AES und XPS. Bei der Positronen-Elektronen-Annihilation zerstrahlen Positronen mit ihren Antiteilchen, den Elektronen, unter Aussendung neu entstandener Teilchen (Photonen), deren Gesamtenergie der Ruhemasse der beiden ursprünglichen Teilchen entspricht. Der wichtigste Vorteil dieser Methode ist, dass mit ihr nahezu ausschließlich die Elemente in der obersten Atomlage untersucht werden können und kein störender Untergrund die Messung überlagert. Der zweite Vorteil ist, dass diese Methode die Oberfläche des Untersuchungsobjekts nicht zerstört und dieses deshalb danach weiter eingesetzt werden kann.

Da die Positronenquelle NEPOMUC (NEutron induced POsitron source MUniCh) am MLZ mit 10⁹ Positronen pro Sekunde die weltweit intensivste Positronenquelle darstellt, können PAES-Messungen zeitabhängig durchgeführt werden. Daher gelang es hier die Messzeit von einigen Tagen auf nur wenige Minuten zu verringern, sodass Oberflächenprozesse direkt beobachtet werden können. Die Wissenschaftler konnten damit deutlich eine Wanderung der Nickelatome in untere Atomlagen zeigen, aber während der ersten Messzeit die Anlagerung in der zweiten Atomlage noch nicht zweifelsfrei nachweisen.

„Im nächsten Schritt wollen wir die zeitabhängige Kinetik dieser Wanderung im Detail untersuchen“, erläutert Christoph Hugenschmidt, der für das Instrument verantwortlich ist, die zukünftigen Pläne.