Адатом

Слово-контрагент, обозначающее атом, адсорбированный на поверхности твердого материала.

Адатом по модели ТЛК

Адатом — это атом , который лежит на поверхности кристалла , и его можно рассматривать как противоположность поверхностной вакансии . Этот термин используется в химии поверхности и эпитаксии при описании отдельных атомов, лежащих на поверхностях и шероховатости поверхности . Это слово является портманто от « адсорбированный атом». Отдельный атом, кластер атомов или молекула или кластер молекул могут быть обозначены общим термином « адчастица ». Это часто термодинамически невыгодное состояние. Однако такие случаи, как графен, могут предоставить контрпримеры. ^[1]

Рост

″Адат″ — это слово-портманто , сокращение от адсорбированный атом. Когда атом достигает поверхности кристалла, он адсорбируется периодическим потенциалом кристалла, становясь таким образом адатомом. Минимумы этого потенциала образуют сеть адсорбционных участков на поверхности. Существуют различные типы адсорбционных участков. Каждый из этих участков соответствует различной структуре поверхности. Существует пять различных типов адсорбционных участков, а именно: на террасе, где адсорбционный участок находится на вершине поверхностного слоя, который растет; на краю ступени, который находится рядом с растущим слоем; в изломе растущего слоя; в краю ступени растущего слоя и в поверхностном слое, где адсорбционный участок находится внутри нижнего слоя. ^[2]

Из этих типов мест адсорбции, места перегиба играют наиболее важную роль в росте кристаллов . Плотность перегиба является основным фактором кинетики роста. Присоединение атома к месту перегиба или удаление атома из места перегиба не изменяет свободную поверхностную энергию кристалла, поскольку число разорванных связей не меняется. Это дает то, что химический потенциал атома в месте перегиба равен химическому потенциалу кристалла, что означает, что место перегиба является единственным типом места адсорбции, где адатом становится частью кристалла. ^[2]

Если используется кристаллография или если температуры роста выше, что даст эффект энтропии , поверхность кристалла становится шероховатой, что приводит к большему количеству перегибов. Это означает, что у адатомов больше шансов достичь места перегиба, чтобы стать частью кристалла. Это нормальный механизм роста. ^[2]

Обратное, то есть при более низкой температуре роста, даст гладкую поверхность, что означает большее количество мест адсорбции террас. Все еще есть места перегиба, но они находятся только на краях ступеней. Кристалл растет только за счет «бокового движения ступеней». ^[2] Этот тип роста называется послойным механизмом роста. То, как адатомы растут на поверхности, зависит от того, какое взаимодействие является самым сильным или как выглядит поверхность. ^[2] Если взаимодействие адатом-адатом является самым сильным, адатомы с большей вероятностью будут создавать пирамиды адатомов на поверхности. Если взаимодействие адатом-поверхность является самым сильным, адатомы с большей вероятностью будут располагаться таким образом, чтобы создавать слои на поверхности. Но это также зависит от происхождения ступеней на поверхности. ^[3] Всего существует пять различных типов роста слоев: нормальный рост, ступенчатый рост, послойный рост, многослойный (или трехмерный островной) рост и спиральный рост. ^[2]

Рост ступенчатых потоков наблюдается на поверхностях, похожих на ступени. Эти поверхности имеют геометрию с вицинальными ступенями, разделенными «атомно плоскими террасами с низким индексом». ^[2] Когда адатомы прикрепляются к краям ступеней, они движутся вдоль поверхности, пока не найдут место перегиба, чтобы прикрепиться и стать частью кристалла. Однако, если плотность перегибов недостаточно высока, и, таким образом, не все адатомы достигают одного из перегибов, на террасах создаются дополнительные ступени, как если бы на ней была плоская поверхность с небольшими двумерными островками, что приводит к смешанному режиму роста, что приводит к изменению типа роста слоев с ступенчатых потоков на рост послойно. ^[2]

При послойном росте взаимодействие адатома и поверхности является самым сильным. ^[3] Новый слой создается посредством 2D-островков, которые создаются на поверхности. Островки растут до тех пор, пока не распространятся по всей поверхности, и начнет расти следующий слой. Этот рост называется ростом Франка-Ван дер Мерве (FM) . ^[2]

В некоторых случаях цикл создания новых слоев при послойном росте нарушается кинетическими ограничениями. В этих случаях рост в более высоких слоях начинается до того, как завершатся нижние слои, что означает создание трехмерных островов. Новый тип роста, называемый многослойным ростом, начинается вместо послойного роста. Многослойный рост можно разделить на рост Фольмера-Вебера и рост Странски-Крастанова. [ 2 ^]

Если поверхность кристалла содержит винтовую дислокацию , может иметь место другой тип роста, называемый спиральным ростом. Вокруг винтовой дислокации во время роста наблюдается спиральная форма. Поскольку винтовая дислокация вызывает спираль роста, которая не исчезает, островки могут не понадобиться для того, чтобы вызвать рост кристалла. ^[2]

Адатомы связываются с поверхностью посредством эпитаксии. В этом процессе новые слои кристалла создаются посредством присоединения новых атомов. Это может быть посредством химической реакции или посредством нагревания новой пленки или ее центрифугирования. Обычно происходит следующее: частицы, которые используются для формирования нового слоя, не всегда адсорбируются. Для создания связей с поверхностью необходима энергия, и не каждая частица имеет необходимое количество энергии для присоединения к этой части поверхности (для разных частей требуются разные энергии). Если есть поток F входящих частиц, часть его будет адсорбирована, заданная потоком адсорбции ^[2]

${\displaystyle J_{ads}=sF}$

где s здесь — коэффициент прилипания . Эта переменная зависит не только от поверхности и энергии входящего атома, но и от химической природы как частицы, так и поверхности. Если и частица, и поверхность сделаны из вещества, которое легко реагирует с другими частицами, атомам легче прилипнуть к поверхности. ^[2]

Поверхностная термодинамика

Рассматривая термодинамику на поверхности пленки, можно увидеть, что связи разрываются, высвобождая энергию, и связи образуются, ограничивая энергию. Термодинамика была смоделирована Вальтером Косселем и Иваном Странским в 1920 году. Эта модель называется моделью перегиба террасного уступа (TLK). ^{[4] [5]}

Адатом может создавать более одной связи с кристаллом, в зависимости от структуры кристалла. Если это простая кубическая решетка , адатом может иметь до 6 связей, тогда как в гранецентрированной кубической решетке он может иметь до 12 ближайших соседей. Чем больше связей создано, тем больше энергии удерживается, что затрудняет десорбцию адатома. ^[6]

Особым местом для адатома является излом, где может быть создана ровно половина связей с поверхностью, также называемый «полукристаллическим положением» ^{[7] .}

Магнитные адатомы

Адатомы, из-за того, что имеют меньше связей, чем другие атомы в кристалле, имеют несвязанные электроны . Эти электроны имеют спин и, следовательно, магнитный момент . Этот магнитный момент не имеет предпочтения по ориентации, пока не присутствует внешнее воздействие, такое как магнитное поле . Структуру адатомов на поверхности можно регулировать, изменяя внешнее магнитное поле. С помощью этого метода можно моделировать теоретические ситуации, такие как атомная цепочка. Квантовую механику необходимо учитывать при использовании адатомов из-за малого масштаба. ^[8]

Магнитное поле, создаваемое атомом, в основном обусловлено орбитой и спином электронов. Магнитный момент протона и нейтрона незначителен по сравнению с моментом электрона из-за их большей массы. Когда атом со свободными электронами находится внутри внешнего магнитного поля, его магнитный момент выравнивается с внешним полем, поскольку это снижает его энергию. Вот почему связанные электроны не демонстрируют этот магнитный момент, они уже имеют благоприятное энергетическое состояние, и его невыгодно менять. Намагниченность ( магнитно выровненного) атома определяется по формуле:

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

Где N — число электронов, g _j — g-фактор, μ _B — магнетон Бора , k _b — постоянная Больцмана , T — температура, а j — квантовое число полного углового момента . Эта формула справедлива при условии, что магнитная энергия электрона определяется как и обменное взаимодействие отсутствует . ${\displaystyle E=m_{j}g_{j}\mu _{B}B}$

Движение по поверхности

Движение адатомов по поверхности можно описать моделью Бертона, Кабреры и Франка (CBF). Модель рассматривает адатомы как двумерный газ на поверхности. Адатомы диффундируют с константой диффузии D; они десорбируются обратно в среду выше со скоростью на атом и адсорбируются с потоком F. ^[2] ${\displaystyle 1/\tau _{des}}$

Константу диффузии можно выразить, когда концентрация частиц мала:

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

Где a — расстояние прыжка атома. E _D — энергия, необходимая для преодоления диффузионного барьера . ν ₀ — частота попыток. ^[2]

Модель CBF подчиняется следующему уравнению непрерывности :

${\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}=D\nabla ^{2}n+F-{\frac {n}{\tau _{des}}}}$

Объединение стационарных состояний ( ) со следующими граничными условиями может привести к выражению для скорости адатомов в каждом месте адсорбции. ^[2] ${\displaystyle dn/dt=0}$

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

Граничные условия:

${\displaystyle D{\frac {\mathrm {d} n_{1}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{inc}[n_{1}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

И:

${\displaystyle -D{\frac {\mathrm {d} n_{u}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{inc}[n_{u}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

Приложения

В 2012 году ученые из Университета Нового Южного Уэльса смогли использовать фосфин для точного, детерминированного выброса одного атома кремния на поверхность эпитаксиального кремния. Этот полученный адатом создал то, что описывается как одноатомный транзистор . Таким образом, поскольку химические эмпирические формулы точно определяют местоположение разветвляющихся ионов, которые прикреплены к определенной молекуле, легирующая примесь транзисторов на основе кремния и других подобных электронных компонентов будет иметь идентифицированное местоположение каждого легирующего атома или молекулы, вместе с соответствующей характеристикой устройства на основе названных местоположений. Таким образом, картирование легирующих веществ даст точные характеристики любого данного полупроводникового устройства , как только все будет известно. ^[9]

С помощью современных технологий можно создать линейную цепочку адатомов поверх эпитаксиальной пленки. При этом можно анализировать теоретические ситуации.

Более того, Усами и др. смогли создать квантовые ямы, добавив атомы Si к объемному кристаллу SiGe. Внутри этих ям они наблюдали фотолюминесценцию экситонов, которые были заключены в этих ямах. ^[2]

Ссылки

1. Мариан А. Герман; Вольфганг Рихтер; Хельмут Ситтер (2004). Эпитаксия: Физические принципы и техническая реализация. Springer. стр. 322. ISBN 3-540-67821-2.
2. Шираки, Y.; Усами, N. (2011). Кремний-германиевые (SiGe) наноструктуры: производство, свойства и применение в электронике. Woodhead Publishing. стр. 51–60. ISBN 9781845696894.
3. "Surfaces, Growth and Strain Relaxation". Warwick . 8 декабря 2010 г. Получено 24 января 2022 г.
4. Коссель, В., Расширение закона Браве. Nachr. Ges. Wiss. Göttingen, 1927, 143.
5. Странски, И.Н., Zur Theorie des Kristallwachstums. З. Физ. Chem 1928, 136, 259-278.
6. Oura, K.; Katayama, M.; Zotov, AV; Lifshits, VG; Saranin, AA (2003). Surface Science - Springer . Advanced Texts in Physics. doi :10.1007/978-3-662-05179-5. ISBN 978-3-642-05606-2.
7. Имаи, Ёдзи; Мукаида, Масакадзу; Ватанабэ, Акио; Цунода, Тацуо (1997). «Энергии образования двумерных ядер, случайно сгенерированных на плоскостях (001), (110) и (111) гранецентрированного кубического кристалла». Тонкие твердые пленки . 300, 1–2 (1–2): 305–313. Bibcode : 1997TSF...300..305I. doi : 10.1016/S0040-6090(96)09507-7.
8. Тоскович, Р. (19 июня 2018 г.). Магнитные адатомы как строительные блоки для квантового магнетизма. Делфт: Делфтский технический университет. стр. 2. ISBN 978-90-8593-347-2.
9. Фюксле, Мартин; Мива, Джилл А.; Махапатра, Суддхасатта; Рю, Хун; и др. (19 февраля 2012 г.). «Одноатомный транзистор». Природные нанотехнологии . 7 (4). Природа : 242–246. Бибкод : 2012NatNa...7..242F. дои : 10.1038/nnano.2012.21. PMID  22343383. S2CID  14952278 . Проверено 20 февраля 2012 г.