Upload
doantruc
View
234
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 1
FIZYKA POWIERZCHNI I NANOSTRUKTURY
Wykład odbędzie się w II semstrze 2005/2006
dr hab. Zbigniew PostawaZakład Fizyki Doświadczalnej
pok. 016Tel. 5626
e-mail: [email protected]
Bez egzaminu
ZaliczenieObecność na wykładzie +
Pisemny referat na temat związany z powierzchnią
H
H
C
H
H
C
H
H
Anim - ten kod oznacza, że na stronie znajdują się animacje niewidoczne w pliku pdf. Aby oglądnąć te animacje skopiuj zbiór z pokazem PowerPoint
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 2
LiteraturaA. Zangwill, „Physics at Surfaces”, Cambridge University PressD.P. Woodruf, T.A. Delchar, „Modern Techniques of Surface Science”, Cambridge University PressG.A. Samorjai, „Introduction to Surface Chemistry andCatalysis”, Wiley Interscience.Sitters, Herman, „Molecular Beam Epitaxy”, Pergamon PressD. Frenkel, B. Schmit, „Understanding MolecularSimulations”, Academic PressG. Timp, „Nanotechnology”, Springer Verlag, 1999.
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 3
Co to jest powierzchnia ?
Relaksacja
Zazwyczaj|∆d(z)|=doexp(-β z)
1.0dd ≤∆
z
d
d12 < do12 a d23 > do
23
, przy czym
Odległość bez relaksacji
Może jest to ostatnia warstwa atomowa ?
Raczej nie
Anim
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 4
Powierzchnia – jak ją zdefiniować ?
Obszar kryształu, dla którego nie da sięzastosować trójwymiarowych równańopisujących własności wnętrza.
Definicja robocza
2-3 ostatnie warstwy atomowe
Może tak
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 5
Czy warto zajmować siępowierzchnią ?
Dyspersja =Liczba atomów na powierzchni
Liczba atomów w klasterze
Liczba atomów na powierzchni jest znacznie mniejsza niż liczba atomów wewnątrz
kryształu
A więc może nie warto ?
n=8D=1
n=27D=0.963 n=64 D=0.875
n=125D=0.784 n=216
D=0.7041.0
0.8
0.6
0.4
0.20 1000 2000 3000 4000
Liczba atomów w klastrze - nDy
sper
sja
-D
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 6
Technologie wykorzystujące zjawiska zachodzące na powierzchniach – drobne przykłady
nośnikipamięcikataliza
nowemateriały filtry
adhezja
utwardzanie
tarcie
zwilżanie
generacjadrugiej
harmonicznejkorozja
Skala długości, nm10-1 100 101 102 103
zabarwieniamateriałów
światłowody
kserografmikroelektronika
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 7
Jak badać powierzchnię ?
Dyfrakcja promieniowania X
Zasięg promieniowania kilkaset nm
Informacja o strukturze powierzchni ginie w informacji pochodzącej od wnętrza kryształu
Czy możemy stosować klasyczne techniki pomiarowe fizyki ciała stałego ?
NIE !!!
Zasięgpromieniowania
X
PromieniowanieX
powierzchnia
2 nm
400
nm
wnę
trze
kr
yszt
ału
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 8
Promieniowanie o krótkim zasięgu
Elektrony o energiach < 2000 eVJony o energiach < 5000 eVPromieniowanie rentgenowskie i ultrafioletowe stymulujące emisję elektronów
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 9
Kiedy powierzchnia jest czysta ?
Ile atomów znajduje się na 1 cm2 powierzchni ?
Gęstość Cu = 8.318 g/cm3
Masa atomu Cu= 64.5*1.67 10-24 g= 1.077 10-22 g
Liczba atomów Cu w 1cm2 powierzchni(8.3 1022)2/3 ≈ 1.9 1015 atomów
Liczba atomów na 1cm2 powierzchni = 1014 -5 1015
Liczba atomów w 1 cm3 = 8.32/1.08 10-22 ≈ 8.3 1022
Kryształ miedzi
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 10
Ile czasu potrzeba na utworzenie 1 warstwy ?
Ile atomów uderzy w 1cm2 powierzchni w ciągu t sekund ?
dS
θdθ
v
v t c
osθ
mkT8tN
41dsincosdv
kT2mvexpvNt
kT2mN
0
2/
0
23
2/3
tot π=θθθ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
π= ∫ ∫
∞ π
TptNtot µ
181033.8=
Teoria kinetyczna gazów (rozkład Maxwella) pozwala nam określić liczbę atomów gazu o masie m, temperaturze T, gęstości atomowej N i ciśnieniu p poruszających sięw danym kierunku θ z prędkością v
dvdsinNkT2
mvexpvkT2
mdvd)v(dN2
22/3
θθ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
π=Ω
W powierzchnię dS uderzą wszystkie cząstki znajdujące się wewnątrz walca o podstawie dS i wysokości v⋅t⋅cosθ. Takich cząstek jest
Korzystając z równania gazu doskonałego , definicji gęstości, oraz związku pomiędzy stałą Boltzmanna k, a stałą gazową R i liczbąAvogadro NA k= R/NA otrzymamy ostatecznie, że w czasie t na powierzchnię 1 cm2 pada Ntot:
gdzie p – w Pa, masa molowa µ - w kg/mol, T w K
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 11
Czas utworzenia 1 warstwy –współczynnik przylegania η
Współczynnik przylegania –
Zależy m.in. od:- rodzaju cząstek i typu podłoża,- energii kinetycznej cząstek,- temperatury podłoża,- liczby wcześniej zaadsorbowanych cząstek.
prawdopodobieństwo, że cząstka uderzająca w powierzchnię „przylepi” się do niej.
η ≤ 1
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 12
Czas utworzenia 1 warstwy
W poniższej tabeli pokazano ile czasu potrzeba przy danym ciśnieniu na utworzenie 1 warstwy azotu w T=293 K, zakładając, że współczynnik
przylegania =1.
Ciśnienie [Pa] Czas [s]
105 6.5 10-9
1 6.5 10-4
10-7 6.5 103
Praca na czystych powierzchniach (pokrycie < 1% warstwy) wymaga więc ciśnieńrzędu 10-8 Pa lub 10-10 Tr.
Tpt1033.8N 18
tot µη=
sekundyp
105.6t4
η⋅
≈−
Czas t po jakim uformuje się 1 warstwa azotu w T=293K
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 13
Jak określić, z którą powierzchniąmamy do czynienia ?
Określić orientację płaszczyznyWskaźniki Millera
Określić rozmieszczenie atomów na płaszczyźnie
Notacja macierzowaNotacja Wooda
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 14
Wskaźniki Millera
Określamy punkty przecięcia danej płaszczyzny z osiami krystalograficznymi kryształu.
Płaszczyzna 1 (¼ a, ½ b, 1c )Płaszczyzna 2 (½ a, 1 b, 2 c)Płaszczyzna 3 (¾ a, 3 /2 b, 3c)
Wyrażamy powyższe współrzędne jako ułamki długości odpowiedniego boku komórki elementarnej
Płaszczyzna 1 (¼ , ½ , 1 ) Płaszczyzna 2 (½ , 1, 2 )Płaszczyzna 3 (¾ , 3/2 , 3)
Liczymy odwrotność wartości uzyskanych powyżej i jeśli jest to konieczne mnożymy przez taką liczbę, aby otrzymać najmniejsze wartości całkowite.
Płaszczyzna 1 (421 ) Płaszczyzna 2 (421 )Płaszczyzna 3 (421)
Zespół trzech liczb (hkl), które otrzymujemy w następujący sposób:
xa
3
2
1
b
c
y
z
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 15
Powierzchnia (100)
1) Punkt przecięcia: a, ∞, ∞
2) 1, ∞, ∞
3) Wskaźnik Millera: (100)
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 16
Powierzchnia (110)
1) Punkt przecięcia: a, a, ∞
2) 1, 1, ∞
3) Wskaźnik Millera: (110)
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 17
Powierzchnia (111)
1) Punkt przecięcia: a, a, a
2) 1, 1, 1
3) Wskaźnik Millera: (111)
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 18
Terminologia
Powierzchnie równoważne
Oznaczenia:(hkl) - płaszczyznahkl - zespół płaszczyzn równoważnych[hkl] - kierunek w przestrzeni [kierunek prostopadły do płaszczyzny (hkl)]<hkl> - zespół kierunków
(010)
(001)
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 19
Struktura geometryczna powierzchni
Wektory te tworzą tzw. komórkę elementarną powierzchni. Przyjęto konwencję, w której wektory a1 i a2 są wybierane tak, aby | a1| ≤ |a2|, a od wektora 1 przechodzi się do wektora 2 w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.
Istnieje wiele komórek elementarnych. Najmniejsza komórka elementarna nosi nazwę komórki prymitywnej.
Powierzchnia kryształu jest dwuwymiarowa i okresowa.
Definiujemy więc dwa wektory a1 i a2, przy pomocy których można określić położenie p każdego atomu na powierzchni w następujący sposób:
p = m a1 + n a2 , gdzie m i n są liczbami całkowitymi.
a2
p=m a + n a1 2
a1
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 20
Przykłady wyboru wektorów tworzących komórki elementarne powierzchni
kryształu fccPowierzchnia fcc(100)
a
a
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 21
fcc(100)
W przypadku tej powierzchni komórkę elementarną stanowią dwa prostopadłe wektory o długościach |a1| i |a2|
Długość wektorów a1 i a2 wynosi|a1| = |a2| = a / √ 2 , gdzie a jest długościąboku komórki elementarnej wnętrzakubicznego kryształu fcc.
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 23
fcc(110)W przypadku tej powierzchni komórkę elementarną stanowią dwa prostopadłe wektory o różnych długościach |a1| i |a2|
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 25
fcc(111)
W tym przypadku długość wektorów a1 i a2 jest taka sama |a1| = |a2|.Wektory a1 i a2 nie są prostopadłe.
Komórka elementarna tej powierzchni może być wybrana w dwojaki sposób.
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 27
Superstruktury
Zazwyczaj ułożenie atomów na powierzchni kryształu odwzorowuje ułożenie atomów znajdujących się wewnątrz kryształu. Jednak nie zawsze musi tak być. Struktura powierzchni o innej komórce elementarnej niż wyrzutowana na płaszczyznę powierzchni komórka elementarna wnętrza kryształu nosi nazwęsuperstruktury lub nadstruktury.
a2
Wnętrze kryształu widziane od strony powierzchni Widok na powierzchnię
b2
p=m b + n b1 2
a1
atom powierzchniowy
atom wnętrza kryształu
b1
Wektory b wyrażamy przez wektory a:
notacja macierzowanotacja Wooda
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 28
Notacja macierzowa
W ogólnym przypadku wektory b1 i b2 można zapisać jako:
b1 = m11 a1 + m12 a2b2 = m21 a1 + m22 a2 .
Powyższe równanie można zapisać w następującej postaci macierzowej
,
gdzie zarówno a1 i a2 jaki i b1 i b2 są wektorami, a m nie musi być całkowite !!
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
2
1
2221
1211
2
1
aa
mmmm
bb
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 29
Notacja Wooda
Znajdujemy wektory tworzące komórkę elementarną powierzchni b1 i b2 oraz wektory a1 i a2 powstałe przez rzut komórki elementarnej wnętrza kryształu na powierzchnię.
Jeżeli wektor b1 nie jest równoległy do wektora a1, to obracamy wektory a1 i a2 o taki kąt ϕ, aby spełniony był ten warunek.
Obliczamy stosunek długości wektorów a i b: |b1|/|a1| |b2|/|a2|
(|b1|/|a1| x |b2|/|a2|) – R ϕ
Rezultatem końcowym jest zapis:
Metodę Wooda można stosować tylko wtedy, gdy kąt pomiędzy wektorami b1 i b2 jest taki sam, jak kąt pomiędzy wektorami a1 i a2.!! !!
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 30
PrzykładyPodłożem jest warstwa fcc(100).
Powierzchnię tworzy warstwa fcc(100), z której usunięto co drugi atom.
Podłoże fcc(100)
Komórka elementarna podłoża
Komórka elementarna ostatniej warstwy
|b2| = 2 |a2| i |b1| = 2 |a1|a więc czerwona struktura to ( 2 x 2 )
(|b1|/|a1| x |b2|/|a2|) – R ϕ
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 31
PrzykładyPodłożem jest warstwa fcc(111).
Powierzchnię tworzy warstwa fcc(111), z której usunięto co drugi atom.
Podłoże fcc(111)
Komórka elementarna podłoża
Komórka elementarna ostatniej warstwy
|b2| = 2 |a2| i |b1| = 2 |a1|
a więc czerwona struktura to ( 2 x 2 )
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 32
Podłoże fcc(111)
Komórka elementarna podłoża
Komórka elementarna ostatniej warstwy
|b2| = |a2| i |b1| = |a1|
Po obrocie o 30o w kierunku ruchu wskazówek zegara otrzymamy:
Podłożem jest warstwa fcc(111).
o30R3x3 −
3 3
a wiec struktura to
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 33
PrzykładyPodłożem jest warstwa fcc(100).
Powierzchnię tworzy warstwa fcc(100), z której usunięto co drugi atom i dodano atom pośrodku każdego kwadratu
Podłoże fcc(100)
Komórka prymitywna ostatniej warstwy
Komórka elementarna ostatniej warstwy
|b2| = √ 2 |a2| i |b1| = √ 2 |a1|, więc√ 2 x √ 2 – R45
lubc( 2 x 2 )
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 34
Niewysycone wiązaniaDuża entropia swobodna G
Rekonstrukcja powierzchniPowierzchnia Si(100)
Bez rekonstrukcji
Po rekonstrukcji (2x1)
Obniżenie entropii swobodnej G
Anim
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 35
Entropia swobodna powierzchni GG = γ · S
γ - napięcie powierzchnioweS – wielkość powierzchni
Faza ciekła Kryształ Pb Heyraun & MatoisSchmitt
Liczba atomowa
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 36
Rekonstrukcja Ir(100)
Ir(100) – (1 x 5)
Ir(100) – (1 x 1)
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 37
Powierzchnie wicynalnePowierzchniami wicynalnymi (vicinal surfaces) nazywamy powierzchnie opisane wysokimi wskaźnikami Millera. Takie powierzchnie nie są gładkie, lecz składają się z tarasów rozdzielonych przez monoatomowe uskoki. Pokazana na poniższym rysunku powierzchnia fcc(755) składa się z tarasów (111) o szerokości 7 odległości międzyatomowych, rozdzielonych przez monoatomoweuskoki mające powierzchnie (100).
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 38
Powierzchnie wicynalneOznaczanie powierzchni wicynalnych jest bardziej złożone niż gładkich powierzchni. W tym przypadku przyjęto następującą notację: w(htktlt) x (hsksls),gdzie (htktlt) i (hsksls) są wskaźnikami Millera odpowiednio dla powierzchni tworzących tarasy (t) i uskoki (s), natomiast w określa liczbę atomów liczonych wzdłuż szerokości tarasu.
Powierzchnia fcc(775) będzie więc zapisana jako 7(111) x 1(100).
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 39
Powierzchnie skrętnePowierzchnie wicynalne, w których uskoki są również opisane wysokimi wskaźnikami Millera noszą nazwę powierzchni „skrętnych” lub po angielsku(kinked surfaces).
Powierzchnia (10 7 7)
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 40
Teoria a rzeczywistość
Powierzchnia CuZmodyfikowana przez Z. PostawaD. Eigler at al.., IBM
Powierzchnia materiału amorficznego
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 41
Powierzchnia kryształu AuP. Cyganik at al., IF UJ
(111)AuP.Cyganik at al., IF UJ
Czy powierzchnie naprawdę są gładkie ?
Tylko na niewielkim obszarze
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 42
Eigler, IBM
D. Eigler, IBM
Czyż to nie jest piękne ?
Gęstość elektronów w pobliżu „ogrodzenia” wykonanego z atomów NiPomiar mikroskopem STM
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 43
Podsumowanie
Jest sens zajmować się badaniem powierzchniRelaksacja i rekonstrukcjaTerminologia służąca do opisu powierzchni
wskaźniki Milleranotacja Wooda
Rodzaje powierzchniniskoindeksowewicynalneskrętne
Z. Postawa, "Fizyka powierzchni i nanostruktury" 44
Co za tydzień ?
W jaki sposób można badać strukturępowierzchni ?
wtórna emisja elektronowadyfrakcja niskoenergetycznych elektronów (Low Energy Electron Diffraction) - LEEDdyfrakcja odbiciowa wysokoenergetycznych elektronów (Reflection High Energy Electron Diffraction) - RHEED