Benetzung von flüssigem Helium auf Cäsium und oxidiertem Cäsium

Diplomarbeit von Andreas Engel

Einleitung:

Ziel dieser Arbeit war es, ein besseres Verständnis der Benetzungseigenschaften von flüssigem Helium zu erhalten.

Ganz allgemein sind Benetzungseigenschaften von großem technischem Interesse. Beispiele hierfür sind das Aufbringen von Farbe auf eine Oberfläche oder die Herstellung immer kleiner Strukturen in der Halbleiterindustrie. All diese Systeme sind aber sehr komplex und sowohl theoretisch als auch experimentell nicht leicht zugänglich. Als Flüssigkeit zur Untersuchung der Benetzungseigenschaften zeichnet sich in dieser Hinsicht flüssiges Helium aus. Aufgrund seiner sehr niedrigen Siedetemperatur (4,2 K) ist es die reinste zugängliche Flüssigkeit und die Wechselwirkung mit anderen Atomen ist theoretisch relativ einfach zu beschreiben. Cäsium als Substrat zeichnet sich dadurch aus, daß es neben Rubidium das einzige Substrat ist, auf welchem flüssiges Helium einen Benetzungsübergang von der nicht benetzenden Phase bei tiefer Temperatur zur benetzenden Phase bei höherer Temperatur zeigt.

Zusammenfassung:

Zur Untersuchung der Benetzungseigenschaften wurden in einem neuaufgebauten Kryostatensystem erstmals mehrere, sich ergänzende Meßmethoden verwendet. Zum einen war dies die Oberflächenplasmonenmikroskopie, eine Standardmeßmethode in der Arbeitsgruppe von Prof. Leiderer. Mit ihr ist möglich lokal aufgelöst Informationen über die Dicke des Heliumfilmes auf dem Substrat zu erhalten. Die zweite Methode war eine Quarzwaage. Diese ist zur Untersuchung von Adsorptionsphänomenen weit verbreitet, und sollte dem Vergleich mit anderen Arbeitsgruppen dienen. Ergänzend war es möglich das System durch Photoelektronenspektroskopie zu untersuchen. Dadurch erhielt ich Informationen über die Reinheit des Cäsium-Substrats und hatte auch bei sehr dünnen He-Filmen (1-3 Monolagen Helium) eine sehr hohe Empfindlichkeit.

Ergebnis dieser Arbeit ist, daß das präparierte Substrat hinsichtlich seiner Benetzungseigenschaften für flüssiges Helium nicht homogen war. Es gab einen Bereich welcher sehr gut benetzt wurde und einen, welcher unterhalb von ungefähr 2,1 K, nicht benetzt wurde. Diese beiden Bereiche ließen sich sehr scharf trennen und sie unterschieden sich auch hinsichtlich der gemessenen Austrittsarbeit der Photoelektronen. Beide Effekte werden unterschiedlich starker Rauhigkeit zugeschrieben. Dies konnte aber leider mit dem vorhanden Versuchsaufbau nicht experimentell überprüft werden.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Grundlagen	3
2.1	Physisorption	3
2.2	Benetzungsphänomene	5
2.2.1	Benetzungsarten	5
2.2.2	Benetzungsübergänge	8
2.3	Benetzungsverhalten von 4He auf Alkalimetallen	9
2.3.1	Theorie	11
2.3.2	Experiment	15
3.	Meßmethoden und Kryostatensystem	22
3.1	Oberflächenplasmonen	22
3.2	Quarzwaage	24
3.3	Photoelektronen	27
3.4	Kryostatensystem	28
4.	Experimenteller- Aufbau	31
4.1	Meßzelle	31
4.2	Oberflächenplasmonenmikroskop	33
4.3	Quarzwaage	39
4.4	Photoelektronen	46
4.5	Versuchsablauf	48
5.	Ergebnisse und Diskussion	50
5.1	Bestimmung der Austrittsarbeit	50
5.1.1	Bestimmung der lokalen Austrittsarbeit	51
5.1.2	Zeitliches Verhalten der Austrittsarbeit	54
5.2	Untersuchung des Benetzungsverhaltens	56
5.2.1	Adsorptionsisotherme	56
5.2.2	Benetzungsübergang	58
5.3	Oxidation der Cs-Oberfläche	64
6.	Ausblick	69
7.	Zusammenfassung	71