overflade

En fast overflade i kontakt med atmosfæren vil altid have gasatomer eller gasmolekyler bundet til sig (se adsorption). Afhængigt af om bindingen er svag eller kraftig, taler man om fysisorption eller kemisorption. Grænsen mellem de to mekanismer sættes almindeligvis ved 0,7 eV pr. atom eller molekyle (15 kcal/mol). Således vil en ædelgas som argon fysisorberes på de fleste metaloverflader, mens vand- eller kuldioxidmolekyler vil kemisorberes, som regel med bindingsenergier på 2 eV/molekyle (45 kcal/mol). Konsekvensen er, at overflader, der har været udsat for atmosfærens indflydelse, aldrig vil være fuldstændig rene. Ønsker man at studere dem i deres rene form, må de anbringes i vakuum og renses. Rensning kan ske, ved at overfladen nydannes ved fordampning af atomer fra den, eller at den eroderes ved ionbeskydning (se sputtering).

Adsorberede atomer kan også fjernes ved opvarmning, men for at fjerne fx vand eller kuldioxid effektivt fra en metaloverflade må den opvarmes til mere end 300 °C i mange timer. Selv i et godt vakuum rammes overfladen til stadighed af restgasatomer og molekyler, der evt. adsorberes. Skal en ren overflade kunne studeres i en rimelig tid, må rensningen og undersøgelsen derfor foregå i et såkaldt ultrahøjt vakuum (UHV), dvs. ved et tryk på mindre end 10^-8 mmHg. Så lave tryk har man kun systematisk kunnet frembringe siden 1960'erne, der derfor også markerer begyndelsen af moderne, eksperimentel overfladefysik.

Overfladers atomare struktur blev tidligere undersøgt med feltionmikroskop, men i dag bruges især scanning-tunnelmikroskoper til direkte afbildning af overflader. Mere indirekte bruges metoder som elektrondiffraktion eller molekyldiffraktion eller ionspredning. Se overfladespektroskopi.

Overfladestrukturen viser sig oftest ikke at være en simpel fortsættelse af den indre krystalstruktur. Overfladen siges da at være rekonstrueret. Den kan dog have bevaret det indres struktur, men således, at det yderste lag har en større eller mindre afstand til næstyderste lag, end det gælder for tilsvarende planer i krystallens indre. I dette tilfælde taler man om relaksation. For halvledermaterialer som fx silicium vil også elektronbåndstrukturen blive ændret ved overfladen. Herved opstår overfladetilstande, der er af stor teknologisk betydning for mange anvendelser inden for mikroelektronik.

I et flerkomponentsystem, fx en legering, vil de enkelte komponenter ofte have forskellig bindingsenergi. Det medfører, at den svagest bundne komponent vil have større koncentration på overfladen end i stoffets indre. Man taler i dette tilfælde om segregering af den pågældende komponent. Det kan have betydning for legeringens korrosionsegenskaber.

På overflader findes fejl i den ordnede struktur ganske som i en krystals indre. Det kan være punktdefekter som manglende atomer (huller) eller adsorberede enkeltatomer eller lineære defekter som fx af form som kanter af trappetrin. Overfladefejl er vigtige for processer som sublimering og adsorption. Atomer ved kanten af trappetrin vil være bundet svagere end atomer indbygget i en plan overflade. Fordampning vil derfor hovedsagelig finde sted fra sådanne særlige positioner. Omvendt vil et atom, som er adsorberet på en plan overflade, diffundere mod den nederste kant af trappetrin eller ind i hjørner, hvor bindingsenergien er større. Endelig forekommer plane defekter, hvor et eller to atomare lag ved overfladen er uordnede, og hvor atomerne har stor bevægelighed. Det kaldes forsmeltning og forekommer i visse materialer. Det uordnede lags tykkelse vokser, når man nærmer sig stoffets normale smeltepunkt.

Med tunnelmikroskoper kan man direkte iagttage, hvordan trinene flytter sig ved tillejring af atomer, eller hvordan enkeltatomer bevæger sig på overfladen ved diffusion. Disse processer har betydning for overfladekemiske reaktioner som katalyse. For at få sådanne processer til at forløbe med stor effektivitet gælder det om at have en stor overflade i et lille volumen. Man kan fremstille substrater til katalyse med flere hundrede m² overflade pr. gram stof.