Vorrichtung und Verfahren zur nasschemischen Präparation von hochreinen Festkörperoberflächen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontaminationsfreien nasschemischen Präparation von hochreinen, insbesondere vakuumpräparierten Festkörperoberflächen mit der Möglichkeit zur in-situ-Charakterisierung mit oberflächensensitiven oder kurzzeitspektroskopischen optischen Methoden.

Die Beschichtung von Festkörperoberflächen mit Molekülen ist von großem technologischem Interesse. Beispielsweise werden mit Farbstoffen beschichtete Halbleiter als photovoltaische Zellen (z.B.: EP 0525 070 B1 ) oder in der Fotographie (siehe z.B. Fyson, J. R.; Twist, P. J.; Gould, I. R. Electron- transfer processes in silver halide photography. in Electron transfer in chemistry; Balzani, V., Ed.; Wiley-VCH: Weinheim, 2001 ; Vol. 5, pp 285-378) verwendet. Die Festkörper sind dabei in der Regel nano-strukturiert. Größtenteils werden Ensembles (z.B. Filme) von Kristalliden (Kolloide) mit einer Ausdehnung von einigen nm bis ca. 100 nm verwendet. Bezüglich wichtiger physikalischer Eigenschaften, wie z.B. Kolloidgröße, Oberflächenstruktur oder Verunreinigung der Oberflächen mit Fremdatomen, sind kolloidale Festkörper nicht homogen, was eine Inhomogenität der mikroskopischen Eigenschaften wie z.B. der elektronischen Struktur bedingt. Die Beschichtung der Oberflächen erfolgt üblicherweise mittels nasschemischer Methoden, welche je nach Reinheit der Vorrichtung, der Umgebung und der verwendeten Substanzen selbst zu einer zusätzlichen Verunreinigung der Festkörper führen können. Generell sind definierte Systeme wünschenswert, sei es zur Klärung wissenschaftlicher Fragestellungen oder für mögliche Anwendungen, deren Funktionsprinzip definierte physikalische und chemische Eigenschaften des Molekül-Festkörper-Systems erfordert. Als Beispiel sei das stark wachsende Feld molekularer Elektronik genannt, bei dem das Funktionsprinzip oft auf den mikroskopischen Eigenschaften eines Moleküls beruht, das definiert an die Oberfläche eines Festkörpers gebunden ist (Molecular Electronics, J. Jortner, M.A. Ratner (Eds), Blackwell Science, Oxford 1997).

Gegenüber kolloidalen Festkörpern sind z.B. die Oberflächen von Einkristallen deutlich definierter. Mittels geeigneter Präparation eines Einkristallsubstrats im Ultrahochvakuum (UHV), dem epitaktischem Wachstum von Festkörpern im Hochvakuum oder UHV, oder durch kontaminationsfreien Transfer von epitaktisch gewachsenen Festkörpern ins UHV lassen sich atomar definierte Oberflächen präparieren. Ausgehend von solchen Oberflächen lassen sich definierte Molekül-Festkörper-Grenzschichten durch Abscheidung von Molekülen aus der Gasphase erzeugen. Jedoch sind viele, vor allem größere Moleküle mit funktionalen Gruppen nur schwer oder gar nicht in die Gasphase, selbst nicht in sehr geringen Partialdrücken, zu überführen. In diesen Fällen kann die Adsorption des Moleküls aus der flüssigen Phase erfolgen.

In der Fachwelt verbreitet sind Lösungsvorschläge zum kontaminationsfreien Transfer einer Probe aus einer Gasatmosphäre (z.B. MOCVD) ins UHV. Ein Beispiel hierfür ist der Transfer einer Probe, deren Oberfläche in einem Reaktionsgefäß durch Gasphasenabscheidung (CVD) präpariert worden ist, in ein Ultrahochvakuum (UHV), um sie dort weiterzubehandeln oder mit oberflächensensitiven Methoden zu untersuchen.

Zur Lösung dieser Problemstellung sind aus der DE-PS 198 37 851 C1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überführen einer Probe aus einem Reaktionsgefäß in ein Hochvakuum bekannt. Diese Vorrichtung enthält eine Schleusenkammer mit mindestens einer ersten und einer zweiten Öffnung. Die erste Öffnung ist mit einer Einrichtung zu ihrer Ankoppelung an die Entnahmeöffnung des Reaktionsgefäßes versehen und für den Durchgang eines die Probe tragenden Probenträgers dimensioniert. Ferner vorgesehen ist eine zweite Kammer, deren Volumen mehrfach so groß wie das Volumen der Schleusenkammer ist und die mit einer Pumpeinrichtung zum Herstellen eines Ultrahochvakuums in dieser zweiten Kammer versehen ist und eine Öffnung aufweist, die an die zweite Öffnung der Schleusenkammer angekoppelt ist. Vorgesehen sind schließlich noch Schieber zum wahlweisen Öffnen und hermetischen Verschließen der Durchgänge zwischen der Schleusenkammer und dem Reaktionsgefäß und zwischen der Schleusenkammer und der zweiten Kammer sowie eine Beförderungseinrichtung, die durch die erste Öffnung der Schleusenkammer hindurch bewegbar ist und eine Einrichtung zum lösbaren Eingriff mit dem Probenträger aufweist. Das bekannte Verfahren läuft wie folgt ab: • Aufrechterhaltung eines Ultrahochvakuums in der zweiten Kammer, während die erste Öffnung der Schleusenkammer an die Entnahmeöffnung des Reaktionsgefäßes gekoppelt ist und die Durchgänge zwischen der Schleusenkammer und dem Reaktionsgefäß und zwischen der Schleusenkammer und der zweiten Kammer sowie alle weiteren eventuell vorhandenen Öffnungen der Schleusenkammer hermetisch verschlossen sind; • Öffnen des Durchgangs zwischen Reaktionsgefäß und Schleusenkammer, Herstellen eines Eingriffs zwischen Beförderungseinrichtung und dem im Reaktionsgefäß befindlichen Probenträger, Bewegen der Beförderungseinrichtung zur Beförderung des Probenträgers in die Schleusenkammer, • hermetisches Verschließen des Durchgangs zwischen Schleusenkammer und Reaktionsgefäß und anschließendes Öffnen des Durchgangs zwischen Schleusenkammer und zweiter Kammer. Mittlerweile wurde die Anwendbarkeit dieser Vorrichtung und des Verfahrens für mehrere atomar definierte Einkristalloberflächen demonstriert. Unter anderem konnte für die reaktive InP(OOI)(2x4)-Oberf lache (Schmidt et al., Phys. Rev. B 61 (2000), R16335) gezeigt werden, dass die Oberfläche beim Transfer keine Oxide bildet. Ein entscheidender Prozessparameter bei diesem Verfahren ist die Zeit, innerhalb der der Übergang von Gasatmosphäre zum UHV vonstatten geht.

Der umgekehrte Transfer einer Probe aus dem UHV in eine Flüssigkeit erfordert als Zwischenschritt eine Gasatmosphäre mit einem Druck, der etwa dem Dampfdruck der verwendeten Flüssigkeit entspricht.

Aus S. Södergren, PhD Thesis, Acta Universitatis Upsaliensis, Uppsala University, 1997 und S. Södergren et al., ECASIA 97 / 7th European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis, John Wiley & Sons Ltd.: Chichester, 1997, 3, ist eine Präparationskammer bekannt, in der Festkörperoberflächen mit Flüssigkeiten in Kontakt gebracht oder elektrochemisch präpariert werden können. Die Probe kann dabei in einer Gasatmosphäre in zwei verschiedene Flüssigkeitsbehälter getaucht werden, von denen einer die Elektrolytlösung und der andere eine Spüllösung enthält. Die Behälter lassen sich linear, senkrecht zur Bewegungsrichtung der Probe bewegen. Das Befüllen und Entleeren der Behälter geschieht durch Abtrennen der Behälter von dem Präparationsraum und Öffnen dieses abgetrennten Teils der Kammer. Die Flüssigkeiten kommen dabei in Kontakt mit Laborluft. Ferner lässt sich nach dem Befüllen und vor dem Eintauchen der Probe der Raum um die Lösungsmittel nicht evakuieren, da ansonsten die Flüssigkeiten verdampfen würden. Daher wird Restgas mit in den Präparationsraum eingeschleppt. Diese Präparationskammer wurde mit einer UHV-Kammer für Fotoelektronen- Spektroskopie kombiniert, womit sich die elektronische Struktur der Oberfläche bestimmen lässt. Präparation und Analyse finden dabei sequentiell statt. Ferner kann die Probe während des Präparationsprozesses (in-situ) nicht mit oberflächenempfindlichen Methoden charakterisiert werden. Die Probe muss während des Prozesses bewegt werden. Dadurch lässt sich kein schnelles Schalten der Umgebung der Probe von UHV in Lösungsmittelumgebung erreichen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination mit Fremdatomen / -molekülen aus der Gasphase.

Aufgabe der Erfindung sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontaminationsfreien nasschemischen Präparation von hochreinen Festkörperoberflächen und in-situ-Charakterisierung mit oberflächensensitiven oder kurzzeitspektroskopischen Methoden, die es ermöglichen, physikalische und chemische Prozesse/Eigenschaften an einer Probe in verschiedenen Umgebungen (Vakuum, Gas, Flüssigkeit) optisch zu untersuchen.

Die Erfindung geht von dem Ansatz aus, dass viele, vor allem größere Moleküle mit funktionalen Gruppen nur schwer oder gar nicht in die Gasphase zu überführen sind, selbst nicht in sehr geringen Partialdrücken. In diesen Fällen kann die Adsorption des Moleküls aus der flüssigen Phase erfolgen.

Die Vorrichtung zur nasschemischen Präparation von hochreinen Festkörperoberflächen weist erfindungsgemäß eine mit gereinigtem Gas über einen Gaseinlass mit Ventil flutbare Hauptkammer als Präparations- und Messraum, einen Probenmanipulator mit einem Probenhalter, ein in der Hauptkammer befüll- und verschiebbarer Flüssigkeitsbehälter mit einem Flüssigkeitsauslass und eine UHV-, insbesondere Turbopumpe auf. Die Hauptkammer ist zum Ein- und Ausschleusen von Proben aus einer separaten bzw. in eine separate UHV-Kammer oder der Raumatmosphäre über ein UHV- Ventil mit einer UHV-Schleusenkammer verbunden. In Ausgestaltung der Erfindung ist die Hauptkammer zur Erhöhung der Reinheit über ein UHV-Ventil mit einer mit gereinigtem Gas flutbaren Lösungsmittelreinigungskammer mit einem Vorratsbehälter, einer Turbopumpe und einem Druckmessgerät verbunden. Erfindungsgemäß ist die Flüssigkeit im Vorratsbehälter einfrierbar. In weiterer Ausgestaltung ist die Hauptkammer über ein UHV-Ventil von der Vakuumpumpkammer mit Turbopumpe und UHV-Druckmessgerät trennbar. In Ausgestaltung der Erfindung ist die Hauptkammer über einen Gasauslass mit UHV-Ventil und über einem Molekularsieb mit einer Drehschieber- Vorvakuum-Pumpe und verbunden. Erfindungsgemäß ist die Probe im Probenhalter, der in den Flüssigkeitsbehälter eintaucht, mit spektroskopischen Methoden charakterisierbar. In Ausgestaltung der Erfindung ist der Flüssigkeitsbehälter mit Elektroden für eine elektrochemische Präparation der Probe versehen. Es ist zweckmäßig, dass die Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter einsaugbar ist. In weiterer Ausgestaltung ist der Flüssigkeitsbehälter eine Küvette, die transparent für die Wellenlänge der spektroskopischen Messmethode ist. Nach der Erfindung ist die Küvette mit einer linearen Verschiebeeinheit zum Ein- und Ausfahren in den optischen Weg verbunden. Erfindungsgemäß ist die Küvette mit Flüssigkeit befüllbar: - aus der Lösungsmittelreinigungskammer, - aus dem Transportbehälter über ein Ventil an der Hauptkammer, - aus dem Flüssigkeitsauslass. In Ausgestaltung der Erfindung sind als UHV-Fenster für die transiente Pump- Probe-Spektroskopie zwei gegenüber liegende Quarzfenster im optischen Weg angeordnet. Für die Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie ist in der Hauptkammer ein weiteres Quarzfenster vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur nasschemischen Präparation von hochreinen Festkörperoberflächen, bei dem die Probe aus UHV-Umgebung in eine Flüssigkeit überführt wird, läuft in folgenden Schritten ab: - in einer Präparationskammer wird ein Ultra-Hoch-Vakuum erzeugt, - die Probe wird von einem zunächst leeren Flüssigkeitsbehälter umgeben, - die Präparationskammer wird mit Gas geflutet, - der Flüssigkeitsbehälter wird in der Präparationskammer mit Flüssigkeit aus einer weiteren Kammer oder aus einem Transportbehälter gefüllt, - die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter wird aus der Präparationskammer entfernt. - durch Herstellen einer Verbindung mit einer oder mehrerer Pumpen wird der Druck in der Präparationskammer von Gasatmosphäre ins UHV gebracht.

Ist die Oberfläche der Probe vor Beginn des Verfahrens nicht hochrein, wird diese nach einem bekannten Verfahren atomar definiert präpariert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Probe mit optischen Methoden zu jeder Zeit und in jeder Atmosphäre messen und/oder charakterisieren. Erfindungsgemäß erfolgt das Befüllen des Flüssigkeitsbehälters aus einer weiteren Kammer oder aus einem Transportbehälter durch Einsaugen und das Entleeren des Flüssigkeitsbehälters in der Präparationskammer durch Erhöhung des Druckes in der Hauptkammer über den Luftdruck im Arbeitsraum durch Ausblasen. In Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erhöhung der Reinheit der Flüssigkeit diese in einer Lösungsmittelreinigungskammer durch Einfrieren mittels der „Pump-and-Freeze"- Methode gereinigt.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Umgebung einer Probe beliebig zwischen Ultrahochvakuum (Druckbereich 10"10 mbar), Gasatmosphäre (Reinheit 5.0) und Flüssigkeit variiert werden, ohne dabei die Position der Probe zu verändern. Änderungen physikalischer Eigenschaften können in-situ mit optischen Methoden zeitaufgelöst oder stationär verfolgt werden. Damit lässt sich die Erfindung als kombinierte Prozess- und Messkammer zur nasschemischen oder Gasphasen-Präparation von atomar reinen Oberflächen mit der Möglichkeit zur in-situ-Charakterisierung verwenden. Ein Beispiel ist die Farbstoffsensibilisierung von definierten Einkristalloberflächen. Im Gegensatz zu Photoelektronenspektroskopie nach Södergren, welche UHV- Bedingungen erfordert, funktionieren rein optische Messmethoden in nahezu allen Medien, die transparent für die verwendete Strahlung sind. Änderungen der Oberflächeneigenschaften lassen sich daher wirklich in allen Stadien der Oberflächenmanipulation verfolgen. Aufgrund dieser Eigenschaft bietet der entwickelte Aufbau, bei Verwendung als reine Messkammer, die Möglichkeit, physikalische Prozesse an einer Probe oder physikalische Eigenschaften einer Probe in verschiedenen Umgebungen (Vakuum, Gas, Flüssigkeit) optisch zu untersuchen. Da der Aufbau ein geschlossenes System darstellt, lassen sich sehr definierte Umgebungen realisieren. Die Reinheit des Aufbaus ist dabei gleichwertig oder besser als die Reinheit der zur Verfügung stehenden Chemikalien, d.h. der Grad der Verunreinigung ist hauptsächlich von der Reinheit der Ausgangschemikalien und nicht von dem Messsystem bestimmt. Am Beispiel der Rekombinationskinetik photoinduzierter Ladungsträger (am System Perylen/Titandioxid) konnte gezeigt werden, dass eine Änderung der Umgebung von Vakuum über Gas zu Lösungsmittel und wieder zurück zu Vakuum reversibel möglich ist. Ferner konnte mittels Photoelektronenspektroskopie vor und nach der Präparation nachgewiesen werden, dass ein Derivat des Farbstoffs Perylen kontaminationsfrei auf einer Rutil-(110)-Oberfläche adsorbiert werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 : den Prinzipaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fig. 2: die Lösungsmittelreinigungskammer

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus 4 separaten Kammern, der Hauptkammer 1 , der Lösungsmittelreinigungskammer 2, der Vakuumpumpkammer 3 sowie der Scheusenkammer 4, wobei die Kammern 2; 3 und 4 mit der Hauptkammer 1 über UHV-Schieberventile 7a, 7b, 7c verbunden sind. Die Hauptkammer 1 dient als Präparations- und Messraum. Auf die Hauptkammer 1 ist ein Probenmanipulator 13 aufgesetzt, der eine Manipulatorstange 13a mit einem Probenhalter 9 an Ihrem unteren Ende enthält. Der Probenmanipulator 13 weist 4 Freiheitsgrade auf. Der Probenhalter 9 nimmt die Probe auf. Es kann ein Probenmagazin 17 für 2 weitere Proben in der Hauptkammer 1 angebracht werden. Die Hauptkammer 1 ist über einen Gaseinlass 5b mit Ventil mit gereinigtem Gas (z.B. Argon, Stickstoff) flutbar. Am Boden der Hauptkammer 1 ist eine lineare Verschiebeeinheit 10a angeordnet. Eine Küvette 12 aus Quarzglas (Volumen ca. 50 ml) mit einem Flüssigkeitsauslass 11 und einem Ventil 20b kann mittels der linearen Verschiebeeinheit 10a in den oder aus dem Strahlengang 19 zwischen den beiden UHV-Fenstem 14 gefahren werden. Mit dem Probenmanipulator 13 wird die Probe in Messposition, d.h. in den optischen Weg gebracht. Die Küvette 12 ist auf 3 Wegen mit Flüssigkeit befüllbar: • aus der Lösungsmittelreinigungskammer 2, • aus einem Transportbehälter 8, welcher über ein Ventil 20a an die Hauptkammer 1 gekoppelt wird oder • über den Flüssigkeitsauslass 11. Der Anschluss an den Transportbehälter 8 ist in Fig. 1 nur vereinfacht dargestellt. Es ist vorteilhaft, den Transportbehälter 8 über ein T-förmiges Verbindungsstück mit einer Vakuumpumpe und wie dargestellt, mit der Hauptkammer 1 oder der Lösungsmittelreinigungskammer 2 zu verbinden. Da alle 3 Anschlüsse des T-förmigen Verbindungsstückes Ventile aufweisen, kann der Raum im Verbindungsstück evakuiert werden. Somit ist es möglich, ursprünglich im Verbindungsstück vorhandene Raum-/Laborluft abzupumpen. Die Küvette 12 muss mehrere Anforderungen erfüllen. Sie soll befüll- und entleerbar sowie transparent für die Wellenlänge der spektroskopischen Messmethoden sein. Im Ausführungsbeispiel muss die Küvette 12 für ultraviolettes (UV), und sichtbares Licht (VIS) sowie für nahes Infrarot (NIR) transparent sein. Die Größe, das Material und der Weg der Befüllung der Küvette 12 werden der jeweiligen Aufgabenstellung konkret angepasst. Bei der Anwendung der Erfindung für die transiente Pump-Probe- Spektroskopie sind 2 UHV-Fenster 14 im optischen Weg erforderlich. Das Material für die UHV-Fenster 14 ist Quarzglas, kann aber den Erfordernissen angepasst werden. Für Reflexion-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) ist ein weiteres, nicht eingezeichnetes Quarzfenster erforderlich. Es ist zweckmäßig, dass die Hauptkammer 1 auch ein Druckmessgerät für den Druckbereich 1 mbar bis 1100 mbar enthält. Der Gasablass aus der Hauptkammer 1 kann über den Gasauslass 6 und ein UHV-CF16-Eckventil mit einer Drehschieber-Vorvakuum-Pumpe mit hoher Saugleistung für den Druckbereich 10"3 mbar über ein Molekularsieb verbunden sein. Die Anordnung von Gaseinlass 5b und Gasauslass 6 ist in Fig. 1 nur schematisch gezeigt. In Abhängigkeit von deren Ausgestaltung und relativen Anordnung sowie von der Geometrie der Hauptkammer 1 lässt sich neben einer stehenden Gasatmosphäre in Hauptkammer 1 auch eine strömende Gasbefüllung realisieren.

Die in Fig. 1 nur als Funktionseinheit und in Fig. 2 näher dargestellte Lösungsmittelreinigungskammer 2 ist UHV-tauglich und dient der Verbesserung der Reinheit der Lösungsmittel. Sie ist nicht bei jeder Anwendung erforderlich. Die Lösungsmittelreinigungskammer 2 enthält eine über ein UHV-Schieberventil 7d absperrbare Turbopumpe 15. Sie ist mit gereinigtem Gas (z.B. Argon, Stickstoff) über den Gaseinlass 5a mit Ventil flutbar. Ein Vorratsbehälter 16 aus Glas kann ca. 200 ml Flüssigkeit aufnehmen. Dem Vorratsbehälter 16 lässt sich ein Dewar-Gefäß überstülpen, wodurch sich die bevorratete Flüssigkeit mittels der „Pump-and-Freeze"- Methode nachreinigen lässt. Dazu wird die Flüssigkeit im Vorratsbehälter 16 mittels flüssigen Stickstoffs im Dewar-Gefäß eingefroren und der Hauptraum 29 der Lösungsmittelreinigungskammer 2 evakuiert. Dadurch wird dem Eis vor allem Sauerstoff entzogen. Der Vorratsbehälter 16 lässt sich mit einem Transportbehälter 8 ohne Kontakt zur Laboratmosphäre auf 2 Wegen befüllen: • durch Einsaugen der Flüssigkeit aus dem Transportbehälter 8. • durch Verdampfen der Flüssigkeit aus einem Gemisch Flüssigkeit / Trockenmittel (z.B. metallisches Natrium) aus einem Destillationsbehälter. Damit lässt sich der Wasseranteil in der Flüssigkeit reduzieren. Die Lösungsmittelreinigungskammer 2 enthält auch ein Druckmessgerät für den Druckbereich 1 mbar bis 1100 mbar und ist über ein UHV- Ventil 7a (CF- 35) mit der Hauptkammer 1 verbunden. Von der in Fig. 2 im Detail dargestellten Lösungsmittelreinigungskammer 2 lässt sich durch eine vakuumdichte Durchführung 27 ein Vorraum 26 abtrennen, der mit dem Hauptraum 29 über einen Bypass mit Ventil 20c und durch ein Verbindungsrohr 22 mit dem Vorratsbehälter 16 verbunden ist. Das Verbindungsrohr 22 ist durch eine Führung 28, die vakuumdichte Durchführung 27 und den Metall-Glas-Übergang 24 als Verbindung des Gehäuses der Lösungsmittelreinigungskammer 2 und des Vorratsbehälters 16 geführt. Der Außendurchmesser des Verbindungsrohres 22 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser eines Rohres 21 als Zulauf zur Küvette 12. Die Lösungsmittelreinigungskammer 2 ist über eine lineare Verschiebeeinheit 10b bewegbar. Bei geöffnetem UHV-Schieberventil 7a zur Hauptkammer 1 lässt sich mittels der Verschiebeeinheit 10b der Aufbau oberhalb der Führung 28 soweit bewegen, dass das Verbindungsrohr 22 in ein feststehendes Rohr 21 ragt. Das Rohr 21 endet in der Küvette 12 der Hauptkammer 1. Bei Öffnen des UHV-Schieberventils 7a zur Hauptkammer 1 und Schließen des Ventils 20c zwischen den Volumina des Vorraumes 26 und des Hauptraumes 29 kann mittels eines Druckunterschiedes zwischen der Hauptkammer 1 und der Lösungsmittelreinigungskammer 2 eine Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 16 durch die Rohre 22 und 21 in die Küvette 12 gesaugt werden. Der Zulauf 23 mit Ventil zum Vorratsbehälter 16 kann mit dem Transportbehälter 8 verbunden werden.

Die Vakuumpumpkammer 3 enthält eine CF-100-Turbopumpe und ein UHV- Druckmessgerät. Diese Turbopumpe ist die Hauptpumpe. Die Vakuumpumpkammer 3 ist über ein UHV-Schieberventil 7b (CF-100) mit der Hauptkammer 1 verbunden. Dadurch muss die Hauptpumpe beim Fluten der Hauptkammer 1 nicht abgeschaltet werden, womit sich ein schnelleres Abpumpen der Hauptkammer 1 realisieren lässt. Das UHV-Schieberventil 7b (CF-100) ist nur dann erforderlich, wenn ein schnelleres Abpumpen von der Hauptkammer 1 gefordert ist. Wird kein UHV- Schieberventil 7b (CF-100) eingesetzt, stellen die Hauptkammer 1 und die Vakuumpumpkammer 3 nur eine Kammer dar. Beim Fluten der Hauptkammer 1 mit Gas muss dann allerdings die Turbopumpe ausgeschaltet werden. Das Abpumpen der Hauptkammer 1 ist dann durch das Hochfahren der Turbopumpe bestimmt.

Die Schleusenkammer 4 dient insbesondere zum Einschleusen von Proben aus einer separaten UHV-Kammer, z.B. einer mobilen UHV-Transportkammer, oder aus der Raum-/Laboratmosphäre. Sie erlaubt nicht nur das Einschleusen aus einer mobilen UHV-Kammer, sondern auch das Ausschleusen. Mit der mobilen UHV-Kammer lässt sich die Probe in andere UHV-Kammern bringen. Dort können verschiedene Messmethoden der Oberflächenphysik angewandt werden, so z.B. UHV-STM (scanning tunneling microscopy), UPS (ultraviolett photoelectron spectroscopy), XPS (X-ray photoelectron spectrocopy), LEED (low energy electron diffraction). Die Schleusenkammer 4 weist ein minimales Volumen auf und enthält eine Turbopumpe (CF-63) und kann ein Druckmessgerät aufweisen. Die Schleusenkammer 4 ist über ein UHV-Schieberventil 7c (CF-35) mit der Hauptkammer 1 verbunden. Beim Transfer einer Probe aus einer mobilen UHV-Kammer wird diese direkt an die Schleusenkammer 4 angekoppelt. Soll eine Probe aus der Raum7Laboratmosphäre in die Scheusenkammer 4 transferiert werden, wird eine an sich bekannte Transferstange 18 mit verschiebbarem Magnet 25 an die Schleusenkammer 4 angekoppelt. Der Magnet 25 ermöglicht ein horizontales Verschieben sowie ein Verdrehen der Probe. Zum Einschleusen der Probe wird mittels Manipulator 13 der Probenhalter 9 in die Höhe des Einlasses der Schleusenkammer 4 angehoben und das UHV-Schieberventil 7c geöffnet. Dann kann die einzuschleusende Probe mittels Magnet 25 in der Transferstange 18 bis in den Probenhalter 9 horizontal verschoben werden. Durch Verdrehen des Magneten 25 und damit auch der Transferstange 18 kann die Schraubverbindung zwischen Transferstange und Probe im Probenhalter 9 gelöst werden. Anschließend kann die Transferstange 18 zurück gefahren und das UHV-Schieberventil 7c geschlossen werden. Die Schleusenkammer 4 ist unbedingt erforderlich für Proben, die sehr empfindlich sind und nicht mit Raum-/Laborluft in Kontakt kommen dürfen. Für andere Proben ist sie sehr vorteilhaft, da dadurch zum Einbringen einer Probe die Hauptkammer 1 nicht geflutet werden muss.

Nachfolgend wird die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Lösungsmittelreinigungskammer 2 beschrieben. Die Vorrichtung besteht nur aus der Hauptkammer 1 , der Vakuumpumpkammer 3 und der Schleusenkammer 4. Zu Beginn wird das UHV-Schieberventil 7b geöffnet, so dass in der Hauptkammer 1 ein Ultra-Hoch-Vakuum entsteht. Zum Einschleusen der Probe aus der Raum-/Laboratmosphäre wird die Schleusenkammer 4 geflutet und die Probe an die Transferstange 18 und diese an die Schleusenkammer 4 montiert. Nachfolgend wird die Schleusenkammer 4 evakuiert. Ist der erforderliche Druck in der Schleusenkammer 4 erreicht, erfolgt der Transfer der Probe mittels des Transferstabes 18 in den Probenhalter 9 der Hauptkammer 1 in UHV. Dann wird die Probe in Messposition gebracht. Anschließend wird das UHV-Schieberventil 7b zur Vakuumpumpkammer 3 geschlossen und die Hauptkammer 1 mit Gas geflutet. Die Vakuumpumpkammer 3 bleibt damit im UHV. Je nach erforderlicher Reinheit des Gases können vor dem Gaseinlass 5b verschiedene Gasreinigungsmethoden angewendet werden. Im Ausführungsbeispiel wird mit Flaschengas mit einer Reinheit von 5.0 (99.999%) und nachfolgender Reinigung mittels sog. „Point-of-Use"- Reinigungspatronen (Messer-Griesheim) bei einem Druck von ca. 500 mbar gearbeitet. Die Probe bleibt dabei in der gleichen Position. Als nächster Schritt erfolgt das Befüllen der Küvette 12 mit Lösungsmittel aus dem Transportbehälter 8. Der Druck in Transportbehälter 8 ist etwa 1000 mbar und damit größer als der Druck in Hauptkammer 1. Durch Öffnen des Ventils 20a wird die Flüssigkeit in die Küvette 12 eingesogen. Das Ablassen der Flüssigkeit läuft wie folgt ab. Die Küvette 12 hat nach unten einen Flüssigkeitsauslass 11 mit Ventil. Durch Erhöhung des Druckes in der Hauptkammer 1 über den Luftdruck im Labor wird die Flüssigkeit ausgeblasen und eine Verunreinigung mit Laborluft verhindert. Die Hauptkammer 1 befindet sich jetzt unter einem Druck von etwa 1000 mbar. Über die direkte Verbindung des Gasauslasses 6 mit einer Drehschieberpumpe hoher Saugleistung lässt sich die Hauptkammer 1 binnen Sekunden in den sub-1 mbar-Bereich bringen. Nach dem Schließen des Gasauslasses 6 der Verbindung zur Drehschieberpumpe erfolgt das Öffnen des UHV-Schieberventils 7b zur Vakuumpumpkammer 3. Die Turbopumpe 15 läuft auf Nenndrehzahl. Der weitere Druckverlauf hängt von dem Dampfdruck der verwendeten Flüssigkeit ab. In etwa wird innerhalb 1 Minute ein Druck <5*10"5 mbar erreicht.

Zu jeder Zeit und in jeder Atmosphäre lässt sich die Probe mit optischen Methoden, z.B. stationäre Transmissionsspektroskopie, Reflexions- Anisotropie-Spektroskopie oder zeitaufgelöster Pump-Probe-Spektroskopie messen bzw. charakterisieren.

Die Erfindung ist zur kontaminationsfreien nasschemischen Präparation von hochreinen, z.B. vakuumpräparierten Festkörperoberflächen und in-situ- Charakterisierung mit oberflächensensitiven Methoden, z.B. Reflexions- Anisotropie-Spektroskopie oder kurzzeitspektroskopischen Methoden, z.B. Pump-Probe-Spektroskopie mit Femtosekunden-Zeitauflösung geeignet.

Damit lassen sich z.B. Moleküle, die nicht verdampft werden können, d.h. die man nur in einer Farbstofflösung vorliegen hat, mit der Oberfläche eines Festkörpers (Metall, Halbleiter, Isolator) in Kontakt bringen und darauf abscheiden, ohne die Probe zwischendurch in eine Umgebung geringer Reinheit, z.B. geringer als 99.999%, zu bringen. Viele Halbleiter-Oberflächen binden z.B. Wasser (H2O) oder Sauerstoff (O2) ganz hervorragend, und oxidieren daher, selbst wenn sie nur geringen Mengen dieser Gase ausgesetzt waren. Die Möglichkeit, die Kammer von UHV über Gas- zu Flüssigkeitsumgebung zu „schalten", erlaubt z.B. eine vorgelagerte UHV- Präparation der Oberfläche. So ist eine Reinigung der Oberfläche durch Beschuss mit Edelgasionen wie Argon („Sputtern") möglich. Damit lässt sich ein auf atomarer Ebene „mikroskopisch" definierter Ausgangszustand erreichen.

Die Möglichkeit, die Probe während der Adsorption mit einem Molekül mit optischen Messmethoden zu charakterisieren, erlaubt bei geeigneter Messmethode auch Rückschlüsse auf mikroskopische Veränderungen der Oberfläche während der Präparation. Üblicherweise geschieht die Präparation von Oberflächen und die Charakterisierung sequentiell, was wesentlich aufwändiger ist. Geeignete Messmethoden sind z.B. Femtosekunden-Pump- Probe-Spektroskopie, womit sich die Kinetik von Prozessen an der Grenzfläche von Molekül und Festkörper verfolgen lassen, oder Reflexions- Anisotropie-Spektroskopie (RAS), womit Rückschlüsse auf Änderung der Geometrie der Oberflächenatome möglich sind.

Aus wissenschaftlicher Sicht ist auch die Verwendung der Erfindung als reine Messkammer interessant, da sie die Untersuchung von physikalischen und chemischen Eigenschaften einer Festkörperoberfläche oder einer Molekül- Festkörper-Grenzfläche in sehr verschiedenen Umgebungen erlaubt. Die Erfindung erlaubt dabei ein Umschalten der Probenumgebung von UHV zu Flüssigkeitsumgebung in unter 30 Sekunden. Durch Automatisierung der Umschaltvorgänge lässt sich diese Zeit noch weiter verkürzen. Dieser Schritt ist bezüglich Kontamination der Oberfläche entscheidend. Durch die Adsorption von Molekülen wird eine Oberfläche in der Regel passiviert. Das Umschalten von Flüssigkeitsumgebung zu UHV ist aus diesem Grund weniger kritisch als der umgekehrte Schritt. Bezugszeichenliste

1 Hauptkammer 2 Lösungsmittelreinigungskammer 3 Vakuumpumpkammer 4 Schleusenkammer 5a, 5b Gaseinlass mit Ventil 6 Gasauslass mit Ventil zur Drehschieberpumpe 7a - 7d UHV-Schieberventil 8 Transportbehälter 9 Probenhalter mit Probe 10a, 10b Lineare Verschiebeeinheit 11 Flüssigkeitsauslass 12 Küvette 13 Manipulator mit 4 Freiheitsgraden 13a Manipulatorstange 14 UHV-Fenster 15 Turbopumpe 16 Vorratsbehälter 17 Probenmagazin 18 Transferstange 19 Strahlengang 20a - 20c Ventil 21 Rohr als Zulauf zur Küvette 12 22 Verbindungsrohr von 16 zu 21 23 Zulauf mit Ventil zum Vorratsbehälter 16 24 Metall-Glas-Übergang 25 verschiebbarer Magnet 26 Vorraum von 2 27 vakuumdichte Durchführung 28 Führung 29 Hauptraum von 2