Адатом

Адатом по модели ТЛК .

Адатом атом — это , лежащий 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 поверхности, и шероховатости поверхности . Это слово представляет собой комбинацию слова « адсорбированный атом». Отдельный атом, группа атомов, молекула или группа молекул могут обозначаться общим термином « адчастица ». Часто это термодинамически неблагоприятное состояние. Однако такие случаи, как графен, могут служить противоположными примерами.

Рост адатома

«Адатом» — это слово-портманто , сокращенное от «адсорбированный атом». Когда атом достигает поверхности кристалла, он адсорбируется периодическим потенциалом кристалла, становясь таким образом адатомом. Минимумы этого потенциала образуют на поверхности сеть адсорбционных центров. Существуют различные типы центров адсорбции. Каждому из этих участков соответствует разная структура поверхности. Существует пять различных типов мест адсорбции: на террасе, где место адсорбции находится поверх растущего поверхностного слоя; у края ступеньки, рядом с растущим слоем; в изломе растущего слоя; на краю ступени растущего слоя и в поверхностном слое, где место адсорбции находится внутри нижнего слоя.

играют изломы Из этих типов адсорбционных центров наиболее важную роль в росте кристаллов . Плотность изломов является основным фактором кинетики роста. Присоединение атома к месту излома или удаление атома из излома не меняет свободной поверхностной энергии кристалла, поскольку число разорванных связей не меняется. Это означает, что химический потенциал атома в месте излома равен химическому потенциалу кристалла, а это означает, что место излома — это единственный тип адсорбционного сайта, где адатом становится частью кристалла.

Если кристаллография используется или если температура роста выше, что приводит к энтропийному эффекту, поверхность кристалла становится шероховатой, вызывая большее количество изломов. Это означает, что у адатомов больше шансов попасть в место излома и стать частью кристалла. Это нормальный механизм роста.

Напротив, при более низкой температуре роста поверхность будет гладкой, а это означает, что будет больше мест адсорбции на террасах. Еще есть места изломов, но они встречаются только по краям ступенек. Кристалл растет только за счет «бокового движения ступенек». Этот тип роста называется послойным механизмом роста. То, как адатомы растут на поверхности, зависит от того, какое взаимодействие является наиболее сильным и как выглядит поверхность. Если взаимодействие адатом-адатом является наиболее сильным, адатомы с большей вероятностью создадут пирамиды из адатомов на поверхности. Если взаимодействие адатомов с поверхностью является наиболее сильным, адатомы с большей вероятностью организуются таким образом, чтобы создавать слои на поверхности. Но это также зависит от происхождения ступенек на поверхности. Всего существует пять различных типов роста слоев: нормальный рост, ступенчатый рост, послойный рост, многослойный (или трехмерный островковый) рост и спиральный рост.

На ступенчатых поверхностях наблюдается ступенчатый рост потока. Эти поверхности имеют геометрию с вицинальными ступенями, разделенными «атомно плоскими террасами с низким индексом». Когда адатомы прикрепляются к краям ступенек, они движутся вдоль поверхности, пока не найдут место излома, где прикрепятся и станут частью кристалла. Однако если плотность изломов недостаточно велика и, следовательно, не все адатомы достигают одного из изломов, на террасах создаются дополнительные ступеньки, как если бы на них располагалась плоская поверхность с небольшими двумерными островками, приводящие к смешанный режим роста, который приводит к смене типа роста слоев со ступенчатого на послойный.

При послойном росте взаимодействие адатома с поверхностью является наиболее сильным. Новый слой создается посредством 2D-островков, которые создаются на поверхности. Островки растут до тех пор, пока не разойдутся по всей поверхности, и начнет расти следующий слой. Этот рост получил название роста Франка-Ван дер Мерве (ФМ) .

В некоторых случаях цикл создания новых слоев при послойном росте нарушается кинетическими ограничениями. В этих случаях рост более высоких слоев начинается до того, как завершаются нижние слои, что означает создание трехмерного острова. Вместо послойного роста начинается новый тип роста, называемый многослойным. Многослойный рост можно разделить на рост Фольмера-Вебера и рост Странского-Крастанова .

Если поверхность кристалла содержит винтовую дислокацию , может иметь место другой тип роста, называемый спиральным ростом. Вокруг винтовой дислокации в процессе роста наблюдается спиральная форма. Поскольку винтовая дислокация вызывает спираль роста, которая не исчезает, островки могут не потребоваться для роста кристаллов.

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

$J_{ads}=sF$

где 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 состоят из вещества, которое легко вступает в реакцию с другими частицами, атомам легче прилипать к поверхности.

Поверхностная термодинамика

Если посмотреть на термодинамику на поверхности пленки, то видно, что связи разрываются, высвобождая энергию, и образуются связи, удерживающие энергию. Используемая термодинамика была смоделирована двумя немцами В.Косселем и Н.Странски в 1920 году. Эта модель называется моделью излома выступа террасы (TLK).

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 создается, тем больше энергии удерживается, что затрудняет десорбцию адатома.

Особым местом для адатома является излом, где может быть создана ровно половина связей с поверхностью, называемый также «полукристаллическим положением».

Магнитные адатомы

Адатомы, поскольку у них меньше связей, чем у других атомов в кристалле, имеют несвязанные электроны . Эти электроны имеют спин и, следовательно, магнитный момент . внешнее воздействие, например магнитное поле Этот магнитный момент не имеет предпочтения в ориентации до тех пор, пока не присутствует . 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 небольшого масштаба.

Магнитное поле, создаваемое атомом, обусловлено главным образом орбитой и спином электронов. Магнитный момент протона и нейтрона пренебрежимо мал по сравнению с электроном из-за их большей массы. Когда атом со свободными электронами находится внутри внешнего магнитного поля, его магнитный момент выравнивается с внешним полем, потому что это снижает его энергию. Именно поэтому связанные электроны не проявляют этого магнитного момента, они уже имеют благоприятное энергетическое состояние и изменять его неблагоприятно. Намагниченность (магнитно ориентированного ) атома определяется выражением:

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

Где N — количество 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 в предположении, что магнитная энергия электрона определяется выражением $E=m_{j}g_{j}\mu _{B}B$ и нет обменного взаимодействия .

Движение адатомов 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 указанную выше среду со скоростью $1/\tau _{des}$ на атом и адсорбируется флюсом F.

Константа диффузии может быть выражена, когда концентрация частиц мала, как:

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

Где a — расстояние прыжка атома. E _D — энергия, необходимая для прохождения диффузионного барьера . ν ₀ — частота попыток .

Модель CBF подчиняется следующему уравнению непрерывности :

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

Объединение установившихся состояний ( $dn/dt=0$) со следующими граничными условиями может привести к выражению для скорости адатомов в каждом месте адсорбции.

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

Граничные условия:

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

И:

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

Приложения

В 2012 году ученые из Университета Нового Южного Уэльса смогли использовать фосфин для точного и детерминированного выброса одного атома кремния на поверхность эпитаксиального кремния. В результате адатом создал то, что называют одноатомным транзистором . Таким образом, поскольку химические эмпирические формулы точно определяют местоположения разветвляющихся ионов, прикрепленных к конкретной молекуле, легирующая примесь кремниевых транзисторов и других подобных электронных компонентов будет иметь идентифицированное местоположение каждого атома или молекулы примеси, а также соответствующие характеристики устройство на основе названных местоположений. Таким образом, картирование легирующих веществ даст точные характеристики любого полупроводникового устройства , если все станет известно.

Благодаря доступным сегодня технологиям можно создать линейную цепочку адатомов поверх эпитаксиальной пленки. Благодаря этому можно анализировать теоретические ситуации.

Более того, Усами и др. смогли создать квантовые ямы, добавив атомы Si в объемный кристалл SiGe. Внутри этих ям они наблюдали фотолюминесценцию экситонов, удерживаемых в этих ямах.