adatom

Adamom według modelu TLK .

Adatom to atom , który leży na powierzchni kryształu i można go traktować jako przeciwieństwo pustki na powierzchni . Termin ten jest używany w chemii powierzchni i epitaksji do opisu pojedynczych atomów leżących na powierzchniach i chropowatości powierzchni . Słowo to kontaminacja „ adsorbowanego atomu”. Pojedynczy atom, grupa atomów lub cząsteczka lub grupa cząsteczek mogą być określane ogólnym terminem „ adcząstka ”. Jest to często stan niekorzystny termodynamicznie. Jednak przypadki takie jak grafen mogą stanowić kontrprzykłady.

Wzrost Adama

Adamom to skrót od zaadsorbowanego atomu. Kiedy atom dociera do powierzchni kryształu, jest adsorbowany przez okresowy potencjał kryształu, stając się w ten sposób adatomem. Minima tego potencjału tworzą sieć miejsc adsorpcji na powierzchni. Istnieją różne rodzaje miejsc adsorpcyjnych. Każdemu z tych miejsc odpowiada inna struktura powierzchni. Istnieje pięć różnych typów miejsc adsorpcji, którymi są: na tarasie, gdzie miejsce adsorpcji znajduje się na wierzchu rosnącej warstwy powierzchniowej; przy krawędzi stopnia, która znajduje się obok rosnącej warstwy; w załamaniu rosnącej warstwy; w schodkowej krawędzi rosnącej warstwy oraz w warstwie powierzchniowej, gdzie miejsce adsorpcji znajduje się wewnątrz dolnej warstwy.

Spośród tych typów miejsc adsorpcji, miejsca załamań odgrywają najważniejszą rolę we wzroście kryształów . Gęstość załamań jest głównym czynnikiem kinetyki wzrostu. Przyłączenie atomu do miejsca załamania lub usunięcie atomu z załamania nie zmienia swobodnej energii powierzchniowej kryształu, ponieważ liczba zerwanych wiązań nie zmienia się. Daje to, że potencjał chemiczny atomu w miejscu załamania jest równy potencjałowi kryształu, co oznacza, że ​​miejsce załamania jest jedynym typem miejsca adsorpcji, w którym adatom staje się częścią kryształu.

Jeśli stosuje się krystalografię lub jeśli temperatury wzrostu są wyższe, co dawałoby efekt entropii , powierzchnia kryształu staje się szorstka, powodując większą liczbę załamań. Oznacza to, że adatomy mają większą szansę na dotarcie do miejsca załamania, aby stać się częścią kryształu. To jest normalny mechanizm wzrostu.

Odwrotnie, a więc przy niższej temperaturze wzrostu, dawałoby to gładką powierzchnię, co oznacza większą liczbę miejsc adsorpcji tarasowej. Nadal istnieją miejsca załamań, ale można je znaleźć tylko na krawędziach schodów. Kryształ rośnie tylko poprzez „boczny ruch stopni”. Ten rodzaj wzrostu nazywany jest warstwowym mechanizmem wzrostu. To, jak adatomy rosną na powierzchni, zależy od tego, która interakcja jest najsilniejsza lub jak wygląda powierzchnia. Jeśli oddziaływanie adatom-adatom jest najsilniejsze, istnieje większe prawdopodobieństwo, że adatom utworzy piramidę adatomu na powierzchni. Jeśli oddziaływanie adatom-powierzchnia jest najsilniejsze, istnieje większe prawdopodobieństwo, że adatom ułożą się w taki sposób, że utworzą warstwy na powierzchni. Ale zależy to również od pochodzenia stopni na powierzchni. W sumie istnieje pięć różnych typów wzrostu warstw: wzrost normalny, wzrost stopniowy, wzrost warstwa po warstwie, wzrost wielowarstwowy (lub trójwymiarowy wzrost wyspowy) i wzrost spiralny.

Wzrost schodkowy obserwuje się na powierzchniach przypominających schody. Powierzchnie te mają geometrię z sąsiadującymi stopniami oddzielonymi „atomowo płaskimi tarasami o niskim współczynniku”. Kiedy adatomy przyczepiają się do krawędzi stopni, poruszają się po powierzchni, aż znajdą miejsce załamania, które można przyczepić, aby stać się częścią kryształu. Jeśli jednak gęstość załamań nie jest wystarczająco duża i przez to nie wszystkie adatomy docierają do jednego z załamań, na tarasach powstają dodatkowe stopnie, jakby była płaska powierzchnia z małymi dwuwymiarowymi wysepkami, prowadząc do mieszany tryb wzrostu, który prowadzi do zmiany typu wzrostu warstw, od stopniowego wzrostu do wzrostu warstwa po warstwie.

We wzroście warstwa po warstwie interakcja adatom-powierzchnia jest najsilniejsza. Nowa warstwa jest tworzona przez wyspy 2D, które są tworzone na powierzchni. Wyspy rosną, aż rozejdą się po całej powierzchni i zacznie rosnąć kolejna warstwa. Ten wzrost nazywa się wzrostem Franka-Van der Merwe (FM) .

W niektórych przypadkach cykl tworzenia nowych warstw we wzroście warstwa po warstwie jest przerywany przez ograniczenia kinetyczne. W takich przypadkach wzrost w wyższych warstwach rozpoczyna się przed ukończeniem niższych warstw, co oznacza utworzenie trójwymiarowej wyspy. Rozpoczyna się nowy rodzaj wzrostu, zwany wzrostem wielowarstwowym, zamiast wzrostu warstwa po warstwie. Wzrost wielowarstwowy można podzielić na wzrost Volmera-Webera i wzrost Stranskiego-Krastanova .

Jeśli powierzchnia kryształu zawiera dyslokację śrubową , może mieć miejsce inny rodzaj wzrostu, zwany wzrostem spiralnym. Podczas wzrostu wokół zwichnięcia śruby widoczny jest spiralny kształt. Ponieważ przemieszczenie śruby powoduje spiralę wzrostu, która nie znika, wyspy mogą nie być potrzebne do spowodowania wzrostu kryształów.

Adatomy są związane z powierzchnią poprzez epitaksję. W tym procesie nowe warstwy kryształu powstają poprzez przyłączenie nowych atomów. Może to nastąpić w wyniku reakcji chemicznej, ogrzewania nowej folii lub jej odwirowania. Ogólnie dzieje się tak, że cząstki, które są używane do tworzenia nowej warstwy, nie zawsze będą adsorbowane. Aby utworzyć wiązania z powierzchnią, potrzebna jest energia, a nie każda cząstka ma potrzebną ilość energii, aby przyczepić się do tej części powierzchni (dla różnych części potrzebne są różne energie). Jeśli ktoś ma strumień F napływających cząstek, jego część zostanie zaadsorbowana, określona przez strumień adsorpcji

${\ Displaystyle J_ {reklamy} = sF}$

gdzie s jest współczynnikiem przyczepności . Ta zmienna zależy nie tylko od powierzchni i energii nadchodzącego atomu, ale także od natury chemicznej zarówno cząsteczki, jak i powierzchni. Jeśli zarówno cząstka, jak i powierzchnia są wykonane z substancji, która łatwo reaguje z innymi cząstkami, atomy łatwiej przyklejają się do powierzchni.

Termodynamika powierzchni

Przyglądając się termodynamice na powierzchni filmu, widać, że wiązania są zrywane, uwalniając energię, i tworzą się wiązania, ograniczając energię. Zaangażowana termodynamika została wymodelowana przez dwóch Niemców, W. Kossela i N. Stranskiego w 1920 r. Model ten nosi nazwę modelu załamania półki tarasowej (TLK).

Adatom może tworzyć więcej niż jedno wiązanie z kryształem, w zależności od struktury kryształu. Jeśli jest to prosta sieć sześcienna , adatom może mieć do 6 wiązań, podczas gdy w sieci sześciennej skupionej na twarzy może mieć do 12 najbliższych sąsiadów. Im więcej utworzonych wiązań, tym więcej energii jest ograniczone, co utrudnia desorpcję adatomu.

Specjalnym miejscem dla adatomu jest załamanie, w którym może powstać dokładnie połowa wiązań z powierzchnią, zwane też „pozycją półkryształu”.

Adatomy magnetyczne

Adatomy, ze względu na mniej wiązań niż inne atomy w krysztale, mają niezwiązane elektrony . Te elektrony mają spin, a zatem moment magnetyczny . Ten moment magnetyczny nie ma preferencji co do orientacji, dopóki nie pojawi się wpływ zewnętrzny, taki jak pole magnetyczne . Strukturę adatomów na powierzchni można regulować, zmieniając zewnętrzne pole magnetyczne. Dzięki tej metodzie można symulować sytuacje teoretyczne, takie jak łańcuch atomowy. Mechanika kwantowa musi być brana pod uwagę przy stosowaniu adatomów ze względu na małą skalę.

Pole magnetyczne wytwarzane przez atom jest spowodowane głównie orbitą i spinem elektronów. Moment magnetyczny protonu i neutronu jest znikomy w porównaniu z momentem elektronu ze względu na ich większą masę. Kiedy atom z wolnymi elektronami znajduje się w zewnętrznym polu magnetycznym, jego moment magnetyczny jest wyrównany z polem zewnętrznym, ponieważ obniża to jego energię. Dlatego związane elektrony nie wykazują tego momentu magnetycznego, mają już korzystny stan energetyczny i niekorzystna jest zmiana. Namagnesowanie atomu (ustawionego magnetycznie) wyraża się wzorem:

$\ Displaystyle M = {\ Frac {Ng_ {j} ^ {2} \ mu _ {B} ^ {2} B} { 3k_{b}T}}j(j+1)}$

Gdzie N to liczba elektronów, g _j to współczynnik g, μ _B to magneton Bohra , k _b to stała Boltzmanna , T to temperatura, a j to całkowita liczba kwantowa momentu pędu . $Ta formuła opiera się na$ elektronu i wymiana interakcji .

Ruch adatoma po powierzchni

Ruch adatomów po powierzchni można opisać za pomocą modelu Burtona, Cabrery i Franka (CBF). Model traktuje adatomy jako dwuwymiarowy gaz na powierzchni. Adatom dyfunduje ze stałą dyfuzji D; są desorbowane z powrotem do ośrodka powyżej z szybkością $\ Displaystyle 1/\ tau _ {des}}$ na atom i adsorbowane strumieniem F.

Stała dyfuzji może być, gdy stężenie cząstek jest małe, wyrażona jako:

${\ Displaystyle D = {\ Frac {1} {4}} a ^ {2} \ nu _ {0} {\ tekst {exp}} ( -{\frac {E_{D}}{k_{b}T}})}$

₀ Gdzie a jest odległością skoku dla atomu. ED _to energia potrzebna do pokonania bariery dyfuzyjnej . ν to częstotliwość prób.

Model CBF jest zgodny z następującym równaniem ciągłości :

${\ Displaystyle {\ Frac {\ częściowy n} {\ częściowy t}} = D \ nabla ^ {2} n + F- {\ Frac { n}{\tau _{des}}}}$

Połączenie stanów ustalonych ( $każdym$ warunkami brzegowymi może prowadzić do wyrażenia prędkości adatomów w

${\ Displaystyle \ nu _ {i} = \ beta _ {inc} [n_{1}(x_{i})-{\tylda {n}}]+\beta _{inc}[n_{u}(x_{i})-{\tylda {n}}]}$

Warunki brzegowe:

${\ Displaystyle D {\ Frac {\ operatorname {d } n_{1}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{inc}[n_{1}(x_{i})-{\tylda {n} }]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

I:

${\ Displaystyle -D {\ Frac {\ operatorname { d} n_{u}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{inc}[n_{u}(x_{i})-{\tylda {n }}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

Aplikacje

W 2012 roku naukowcy z University of New South Wales byli w stanie użyć fosfiny do precyzyjnego, deterministycznego wyrzucenia pojedynczego atomu krzemu na powierzchnię epitaksjalnego krzemu. Ten wynikowy adatom stworzył coś, co jest opisane jako tranzystor jednoatomowy . Tak więc, o ile chemiczne wzory empiryczne wskazują lokalizacje rozgałęzionych jonów, które są przyłączone do określonej cząsteczki, domieszka tranzystorów na bazie krzemu i innych podobnych elementów elektronicznych będzie miała lokalizację zidentyfikowaną dla każdego atomu lub cząsteczki domieszki, wraz z powiązaną charakterystyką urządzenie na podstawie nazwanych lokalizacji. W ten sposób mapowanie substancji domieszkujących da dokładną charakterystykę dowolnego urządzenia półprzewodnikowego , gdy wszystko będzie znane.

Dzięki dostępnej obecnie technologii możliwe jest stworzenie liniowego łańcucha adatomów na warstwie epitaksjalnej. Dzięki temu można analizować sytuacje teoretyczne.

Ponadto Usami i in. byli w stanie stworzyć studnie kwantowe, dodając atomy Si do kryształu SiGe. W tych studzienkach zaobserwowali fotoluminescencję ekscytonów, które były w nich zamknięte.