Oberflächenrelaxation

Als Oberflächenrelaxation bezeichnet man die Veränderung des Atomabstands an oder nahe der Oberfläche eines Festkörpers im Vergleich zur regelmäßigen Gitteranordnung innerhalb des Festkörpers.

Oberflächenrelaxation: Der Abstand der obersten Atomschichten (rot) ist verändert im Vergleich zum Abstand im Inneren des Festkörpers (blau); der Effekt ist stark übertrieben dargestellt.

Die Oberflächenrelaxation kann durch die relative Änderung $\Delta d_{ij}$ des Abstands der Atomschichten $i$ und $j$ angegeben werden, bezogen auf den Schichtabstand $d_{\text{B}}$ im Inneren des Festkörpers (der Index „B“ steht für englisch bulk, also den Hauptanteil):

\Delta d_{ij}={\frac {d_{ij}-d_{\text{B}}}{d_{\text{B}}}}

Häufig ist dabei der Abstand $d_{12}$ zwischen den ersten beiden Atomschichten des Festkörpers reduziert (typische Werte für Metalle, bei denen dieser Effekt besonders deutlich ausgeprägt ist: $\Delta d_{12}$ zwischen 0 und −15 %), da auf die Atome an der Oberfläche anziehende Kräfte ins Innere wirken, ähnlich wie bei der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit. Der Abstand $d_{23}$ zwischen der zweiten und dritten Schicht ist dagegen in vielen Fällen vergrößert (typische Werte für Metalle: $\Delta d_{23}$ zwischen 0 und +5 %).[1] Statt einer Verringerung kann bei manchen Materialien auch eine Vergrößerung des Abstands der ersten beiden Atomschichten auftreten.

Durch die Oberflächenrelaxation alleine wird die Symmetrie und Anordnung innerhalb der Oberfläche nicht geändert. Eine zusätzliche Änderung der Gitteranordnung in der Oberfläche wird als Oberflächenrekonstruktion bezeichnet.

Literatur

Charles Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 14. Auflage. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 2006, ISBN 3-486-57723-9, S. 532 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche – Originaltitel: Introduction to Solid State Physics. Übersetzt von Siegfried Hunklinger).
Siegfried Hunklinger: Festkörperphysik. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 2007, ISBN 3-486-57562-7, S. 67–68 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
Rainer Kassing (Hrsg.): Bergmann Schaefer – Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6, Festkörper. 2. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2005, ISBN 3-11-017485-5, S. 295 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

Einzelnachweise

Jun Wan, Y. L. Fan, D. W. Gong, S. G. Shen, X. Q. Fan: Surface relaxation and stress of fcc metals: Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, Al and Pb. In: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. Band 7, Nr. 2, März 1999, S. 189–206, doi:10.1088/0965-0393/7/2/005.

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[Wan1999-1] Jun Wan, Y. L. Fan, D. W. Gong, S. G. Shen, X. Q. Fan: Surface relaxation and stress of fcc metals: Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, Al and Pb. In: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. Band 7, Nr. 2, März 1999, S. 189–206, doi:10.1088/0965-0393/7/2/005.