Atomic Scale Dynamics at Surfaces

Auf Basis einer rund vierzigjährigen wissenschaftlichen Zusammenarbeit haben Giorgio Benedek und Jan Peter Toennies ein beeindruckendes Werk zum derzeitigen Stand der Erforschung von Gitterdynamik und Elektron-Phonon-Wechselwirkung an Festkörperoberflächen geschaffen. Als Pioniere der Heliumatom-Oberflächenstreuung spannen die beiden Autoren in 14 Kapiteln den Bogen von den Anfängen bis zu den modernen  Entwicklungen: angefangen von Lord Rayleighs mathematischer Beschreibung von Oberflächenwellen bis zu modernen Ab-initio-Methoden zur Berechnung der Oberflächen-Gitterdynamik und von Otto Sterns ersten Experimenten zur Materiewellenstreuung bis zur hochentwickelten Heliumstreu-Spektroskopie. Dabei hilft dem Leser eine klare Gliederung. Jedes Kapitel ist einzeln lesbar und besitzt ein eigenes umfangreiches Literaturverzeichnis von jeweils mehreren hundert Referenzen.

Nach einer Einführung in die Physik der Phononen und der Bedeutung der Phononendispersion geht es um deren Erkundung mittels Streuexperimenten, zunächst von theoretischer Seite. Diese erklärt die Rolle des quantenmechanischen Streupoten­tials, mit dessen Hilfe sich aus elastischen und inelastischen Streudaten außer den Phononendispersionskurven feine Details wie die elektronische Korrugation der Oberfläche (im Unterschied zur Gitterstruktur), Oszillationen der Ladungsdichte und modenspezifische wie auch modengemittelte Parameter der Elektron-Phonon-Wechselwirkung ermitteln lassen. Ab Kapitel 9 kommen Details der experimentellen Anlagen und der Detektoren zur Sprache, unterlegt mit Beispielen aus Untersuchungen unterschiedlicher Kristalloberflächen (z. B. kovalent, ionisch, metallisch, dünne Schichten oder Halbleiter). Die Rolle von Adsorbaten und deren Diffusion nimmt ein gesondertes Kapitel ein. Kapitel 14 gibt Ausblicke auf zukünftige Erkundungen von topologischen Materialien, Flüssigkeitsoberflächen und Filmen aus bio­logischen Molekülen. Die ausführlichen Anhänge enthalten wertvolle Tabellen zu bisherigen Messergebnissen an mehreren hundert Materialien bezüglich Phononendispersion, Oberflächen-Debye-Temperatur oder Adsorbatdiffusion.

Der Leser merkt sehr schnell, dass das Buch aus der langjährigen Praxis zweier führender Wissenschaftler mit komplementären Kenntnissen entstanden ist. Da ist zum einen der Theoretiker (Benedek), der selbst die Rohdaten aus den Experimenten versteht, und zum anderen der Experimentator (Toennies), der die Theorie hinter seinen Messungen erkennt.
Dieses Buch sollte für jeden Oberflächenphysiker von Bedeutung sein, selbst wenn er nichts mit Helium­atomstreuung zu tun hat. Ich kann es allen Masterstudierenden und Doktoranden in diesem Forschungsgebiet empfehlen, da es das Grundlagen­verständnis in hohem Maße fördert.

Prof. Dr. Wolfgang E. Ernst, TU Graz