Rekonstrukcja powierzchni
W przypadku granicy faz lub powierzchni kryształu rekonstrukcja powierzchni ma miejsce, gdy atomy znajdujące się blisko powierzchni zostaną przesunięte z ich pozycji w przestrzennej sieci krystalicznej . W idealnym krysztale atomy są ułożone w regularną siatkę; jeśli w myślach przeskoczysz z jednego atomu do drugiego tego samego typu, sieć krystaliczna wygląda zupełnie identycznie. Na powierzchni prawdziwego kryształu brakuje wszystkich atomów w miejscach sieci na zewnątrz. Ponieważ atomy wewnątrz kryształu są regularnie rozmieszczone, dotyczy to również każdej płaskiej powierzchni; podstawowa struktura jest nadana przez kryształ objętościowy. Jeśli atomy w pobliżu powierzchni, tj. W górnych 1 do 2 warstw, zostaną przesunięte z ich pozycji sieci krystalicznej we wnętrzu kryształu, nazywa się to rekonstrukcją powierzchni. Jeśli atomy są przesunięte tylko prostopadle do powierzchni, mówi się o relaksacji powierzchni .
Właściwości rekonstrukcji powierzchni
Podobnie jak w przypadku trójwymiarowych kryształów, powierzchnie tworzą dwuwymiarowe struktury kryształów . Struktura niezrekonstruowanej powierzchni wynika z objętościowej struktury krystalicznej i płaszczyzny kryształu powierzchni. Na tej powierzchni rozmieszczenie atomów odpowiada temu na odpowiedniej powierzchni kryształu objętościowego kryształu, na przykład ma ona kwadratową strukturę w (001) płaszczyźnie kryształu w sześciennym układzie kryształów . Podobnie jak w przypadku kryształu objętości, siatki Bravais zapewniają system dla różnych możliwych struktur. Istnieje w sumie pięć dwuwymiarowych siatek Bravais .
Rekonstrukcja ma nadbudowę, gdy rozmiar komórki elementarnej (EZ) jest pomnożony w jednym lub obu kierunkach. Jeżeli dwie różnie zrekonstruowane WSE powierzchni niezrekonstruowanej naprzemiennie w jednym kierunku powierzchni, a WS są równe w drugim kierunku, rozmiar zrekonstruowanej WS podwaja się w jednym kierunku, podczas gdy w drugim kierunku pozostaje niezmieniony, tj. a (2 × 1) nadbudowa nawierzchni. Niecałkowite superstruktury mogą również skutkować, na przykład (√2, √2) nadbudową, w której przekątne niezrekonstruowanej komórki tworzą zrekonstruowaną komórkę elementarną.
Przyczyną powstawania rekonstrukcji powierzchni jest redukcja energii swobodnej . W wielu przypadkach zrekonstruowana powierzchnia ma również najniższą energię całkowitą ( energię powierzchniową ), a także jest najkorzystniejszą strukturą powierzchni przy zerze absolutnym . Na wielu materiałach można wytwarzać różne struktury powierzchni w tych samych warunkach, które mogą być różne energetycznie. Różne struktury można osiągnąć różnymi metodami przygotowania.
Atomy lub cząsteczki adsorbowane mogą zmienić rekonstrukcję powierzchni. W większości przypadków atomy powierzchniowe przestawiają się w taki sposób, że dla adsorbatu powstaje energetycznie korzystna geometria wiązania. Różne atomy adsorbatu prowadzą do różnych struktur powierzchniowych, więc adsorpcja wodoru lub tlenu na (001) powierzchni wolframu , powierzchni o kwadratowej strukturze centralnej, prowadzi do wzrostu lub spadku temperatury przejścia między niezrekonstruowanym a (√2, √2) ) - Powierzchnia wolframu. Nie musi istnieć temperatura przejścia między różnymi rekonstrukcjami tych samych powierzchni, więc każda rekonstrukcja może być również metastabilna . W tej samej temperaturze, na przykład, w zależności od obróbki powierzchni, mogą występować różne rekonstrukcje tej samej powierzchni.
Wiele nadbudów na czystych powierzchniach jest usuwanych przez adsorbaty. Na przykład nienasycone wiązania na powierzchni krzemu mogą być nasycone wodorem. Atomy krzemu na powierzchni nie łączą się już w dimery, co oznacza, że rekonstrukcje z formacjami dimerowymi są przenoszone z powrotem na powierzchnie bez powstałych nadbudów.
Określenie struktury powierzchni
Dostępne są różne metody określania struktury powierzchni. Metody bezpośrednie to pomiar powierzchni za pomocą skaningowych instrumentów mikroskopowych, takich jak skaningowy mikroskop tunelowy lub mikroskop sił atomowych w rozdzielczości atomowej. Metody te bezpośrednio określają gęstość elektronów lub wysokość atomów kryształu. Dzięki niskoenergetycznej dyfrakcji elektronów (LEED) uzyskuje się obrazy dyfrakcyjne powierzchni, z których można wyciągnąć wnioski dotyczące struktury powierzchni. Odbicia dyfrakcyjne (2x1) nadbudówki są o połowę mniejsze od siebie w jednym kierunku, jak można by oczekiwać od powierzchni niezrekonstruowanej, podczas gdy w drugim kierunku są to odległości oczekiwane. Dzięki LEED możesz szybko określić, czy istnieje nadbudowa i w jakich kierunkach.
Typowe rekonstrukcje niektórych powierzchni
Powierzchnie półprzewodników
Powierzchniowe rekonstrukcje powierzchni półprzewodników można zwykle wyjaśnić tym, że liczba „przeciętych” wiązań (nienasyconych, angielskich wiszących wiązań ) jest zminimalizowana.
Si (100): Podczas (mentalnego) przecinania kryształu krzemu ( sieci diamentowej ) wzdłuż płaszczyzny (100) , dwa wiązania na atom krzemu zostają zerwane. Pary sąsiednich atomów krzemu łączą się ze sobą jednym z przeciętych wiązań i tworzą tak zwane dimery. Na atom krzemu pozostaje tylko jedno wiązanie nienasycone. Sieć jest zniekształcona w taki sposób, że jeden atom jest wyższy w dimerze, a drugi niższy ( wygięty dimer ); bezpośrednio sąsiednie dimery są zorientowane w przeciwnych kierunkach. Jednak w temperaturze pokojowej dimery szybko zmieniają swoją orientację w wyniku wzbudzeń termicznych i wydają się symetryczne w skaningowym mikroskopie tunelowym .
Stabilna powierzchnia powierzchni Si (111) ma złożoną rekonstrukcję (7 × 7) . Struktura, model dimer adatom stacking fault (DAS), została zaproponowana w 1985 roku przez K. Takayanagi i współpracowników, przy czym pomiary Gerda Binniga i współpracowników przy użyciu skaningowego mikroskopu tunelowego stanowiły ważną podstawę.
Powierzchnie metalowe
W przypadku powierzchni czystych metali rekonstrukcje są mniej powszechne niż w przypadku półprzewodników; Wyjątek stanowią metale szlachetne z szóstego okresu , których centrowanie jest sześcienne , Ir , Pt i Au . W tych trzech metalach (100) powierzchnie rekonstruują się i zamiast kwadratowej sieci przestrzennej struktury sześciennej centrowanej na powierzchni, na powierzchni tworzy się sześciokątna gęsto upakowana warstwa atomowa. (110) powierzchnie tych metali wykazują rekonstrukcję „ brakującego rzędu ”; brakuje co drugiego ciasno upakowanego rzędu atomów. Ze złotem również rekonstruuje (111) powierzchnię; górna warstwa atomowa jest skurczona ( rekonstrukcja w jodełkę ). Te rekonstrukcje są spowodowane szczególnie niską energią powierzchniową heksagonalnych gęstych powierzchni tych metali i dużym naprężeniem rozciągającym na powierzchni.
Nieprzewodzący
W przypadku materiałów nieprzewodzących, w szczególności kryształów jonów i większości tlenków, częstą przyczyną tworzenia się rekonstrukcji powierzchni jest to, że powierzchnie obiektów makroskopowych muszą być w dużej mierze obojętne elektrycznie („z kompensacją ładunku”). Na przykład nieodbudowana (111) powierzchnia sieci NaCl byłaby powierzchnią polarną, tj. Górna warstwa atomowa składałaby się tylko z jonów dodatnich lub tylko ujemnych, co prowadziłoby do niekorzystnego energetycznie, niezwykle wysokiego pola elektrycznego . Można tego uniknąć dzięki rekonstrukcji, w której brakuje niektórych jonów z najwyższej warstwy atomowej.
literatura
- K. Oura, VG Lifshits, AA Saranin, AV Zotov, M. Katayama: Surface Science: An Introduction . Springer-Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-540-00545-5 .
- Charles Kittel: Wprowadzenie do fizyki ciała stałego . Edycja 14. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, Monachium 2006, ISBN 3-486-57723-9 , s. 532 ( ograniczony podgląd w wyszukiwarce książek Google - tytuł oryginalny: Introduction to Solid State Physics . Przetłumaczone przez Siegfrieda Hunklingera).
- Andrew Zangwill: Fizyka na powierzchni . Cambridge University Press, Cambridge 1996, ISBN 0-521-34752-1 , s. 207, 258, 259 .
Indywidualne dowody
- ↑ a b Zangwill: Physics at Surfaces , 1996, s. 259
- ^ Zangwill: Physics at Surfaces , 1996, s.96
- ↑ DJ Chadi: Struktury atomowe i elektroniczne zrekonstruowanych powierzchni Si (100) . W: Physical Review Letters . taśma 43 , nie. 1 , 1979, s. 43-47 , doi : 10,1103 / PhysRevLett . 43,43 .
- ↑ K. Takayanagi, Y. Tanishiro, M. Takahashi, S. Takahashi: Analiza strukturalna Si (111) -7 × 7 metodą dyfrakcji elektronów w transmisji UHV i mikroskopii . W: Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum Surface Films . taśma 3 , nie. 3 , 1985, s. 1502-1506 , doi : 10,1116 / 1,573160 .
- ↑ G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel: Rekonstrukcja 7 × 7 na Si (111) rozwiązana w przestrzeni rzeczywistej . W: Physical Review Letters . taśma 50 , nie. 2 , 1983, s. 120-126 , doi : 10,1103 / PhysRevLett.50.120 .
- ↑ Jacek Goniakowski, Fabio Finocchi, Claudine Noguera: Polaryzacja powierzchni tlenkowych i nanostruktur . W: Raporty o postępach w fizyce . taśma 71 , nie. 1 , 2008, s. 016501 , doi : 10.1088 / 0034-4885 / 71/1/016501 .