1 / 73

Struktura povrchů

Význam studia povrchů. Struktura povrchů. Cíle strukturních studií – identifikace atomů a jejich vzájemných poloh délky a charakter vazeb. http://www.chem.qmul.ac.uk/surfaces/scc/ http://www.uksaf.org. Modifikace uspořádání. Povrchová relaxace. d 1-2 < d bulk. Možno i.

joie
Download Presentation

Struktura povrchů

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Význam studia povrchů Struktura povrchů Cíle strukturních studií – identifikace atomů a jejich vzájemných poloh délky a charakter vazeb http://www.chem.qmul.ac.uk/surfaces/scc/ http://www.uksaf.org Modifikace uspořádání Povrchová relaxace d1-2 < dbulk Možno i D2-3 < dbulk

  2. Povrchová rekonstrukce Minimalizace povrchové energie Vazby Si(100)-(1x1) Si(100)-(2x1)

  3. Adsorpce Fyzikální – pouze slabou van der Waalsovou vazbou bez výrazné redistribuce elektronové hustoty Chemická – silnější vazby, redistribuce elektronové hustoty chemisorpce 1D model Energie adsorpce a desorpce > 0,3 nm Molekulární chemisorpce

  4. Disociativní chemisorpce H2→   H + H D(H-H) ] 435 kJ mol-1 , 4.5 eV. Přechod molekuly do stavu fyzisorpce a poté chemisorpce či desorpce Přechod molekuly do chemisorpce

  5. Geometrie adsorpce Halogeny Polohy s vysokou koordinací H2 Obvykle vazby H-H přerušeny O2 N2 Polohy s vysokou koordinací Silné interakce často vyvolávají rekonstrukci substrátu O2 silnější tendence k disociaci Odpudivé interakce mezi adsorbovanými atomy CO

  6. Reálný povrch Okolní prostředí, adsorpce atomů Doba života čistého povrchu SI - Pascal ( 1 Pa = 1 Nm-2 ) Atmosférický tlak ( 1 atm.) - 101325 Pa, 1013 mbar ( 1 bar = 105 Pa ). 1 torr = 1 mmHg. 1 atm ~ 760 Torr ( i.e. 1 torr = 133.3 Pa ). Gas exposure Míra množství plynu, který působí na povrch (expozice/L) = 106x (tlak/torr) x (čas/s) L – Langmuir ~ 10-6 torr Stickingcoefficientq • Část dopadajících molekul, které se adsorbují na povrchu (0 – 1) • Počet adsorbovaných částic na jednotku plochy (např. molekuly/cm-2) • Zlomek maximálního možného pokrytí povrchu • Počet adsorbovaných částic na jednotku plochy povrchu/Počet povrchových atomů substrátu na jednotkovou plochu

  7. Doba života čistého povrchu Dva důvody pro čistý povrch

  8. Metody přípravy povrchů Tepelná desorpce Tdes~ 1000 Kprůchod el. prouduradiacebombardování zezadu Desorpce v silném elektrickém poli Desorpce el. bombardováním (excitace, slabší vazby) Iontové bombardování Ar, Xe, univerzální, nevýhoda – porušení povrchupostupné odprašování Čištění laserovým paprskem Tepelná desorpce, lokální ohřev Štípání, lámání ve vakuu monokrystaly Využití povrchových reakcí H2, O2

  9. Popis struktury povrchů Maticové značení povrch substrát Woodovo značení ( |b1|/|a1| x |b2|/|a2| ) (2 x 2)

  10. c( 2 x 2 )( 2 x 2)R45 ( 3 x 3)R30 (111) - ( 3 x 3)R30 (110) - c(2 x 2 ) M(hkl) – p/c (m x n) Ra E centrování buňky adsorbát rotace povrchové buňky substrát orientace substrátu Ni(001)-p(2 x 2)C

  11. (2 x 2) (1 x 3) (2 x 2) q = (4 x ¼ + 1) / (4 x ¼ + 4 x ½ + 1) = 2/4 0,33

  12. (2 x 2) (2 x 1) 0,5

  13. Jednoduché povrchové struktury f.c.c. (100) Koordinační číslo 4 sousedé v 1. vrstvě, 4 v další Atomy v další vrstvě jsou nedostupné pro adsorbáty Všechny povrchové atomy jsou ekvivalentní Povrch je relativně hladký Různé polohy pro adsorbáty: on-top, bridge, hollow f.c.c. (110) Koordinační číslo 2 sousedé v 1. vrstvě, 4 ve druhé, 1 ve třetí vrstvě Všechny povrchové atomy jsou ekvivalentní, ale atomy druhé vrstvy jsou dostupné pro adsorbáty Povrch je relativně drsný a anizotropní Různé polohy pro adsorbáty: on-top, bridge (krátké, dlouhé, hollow f.c.c. (111) Koordinační číslo 6 sousedů v 1. vrstvě, 3 ve druhé, Všechny povrchové atomy jsou ekvivalentní a s vysokou koordinací Povrch je relativně hladký Různé polohy pro adsorbáty: on-top, bridge, hollow

  14. Jednoduché povrchové struktury b.c.c. (100) Koordinační číslo 4 sousedé ve 2. vrstvě Atomy v další vrstvě jsou prakticky nedostupné pro adsorbáty b.c.c. (110) Koordinační číslo 4 sousedé v 1. vrstvě, 2 ve druhé, b.c.c. (111) Otevřený povrch

  15. Jednoduché povrchové struktury h.c.p. (0001) Všechny povrchové atomy jsou ekvivalentní, koordinační číslo 9 Povrch je relativně hladký Různé polohy pro adsorbáty: on-top, bridge, hollow NaCl(100) Surface explorer http://w3.rz-berlin.mpg.de/~rammer/surfexp_prod/SXinput.html NIST Surface Structure Database (SSD) http://w3.rz-berlin.mpg.de/~hermann/hermann/SSDpictures.html

  16. bcc(310)-(1x1) fcc(111)+(3x3)-C6H6+2CO Fe(110)+(3x1)-2H hcp(0001)+(1x1)-Ad Ru(0001)+(r3xr3)R30-CO

  17. Si(111)-(7x7) Si(100)+(2x1)-Na TiO2(100)-(3x1) TiC(111)+(r3xr3)R30-O

  18. Schody a fazety fcc(775) fcc(10.8.7) Termodynamicky stabilní povrch Celková povrchová volná energie Závislost na krystalografické orientaci M(S) – (m(hkl) x n(h’k’l’)) (544) – (S)-[9(111) x (100)] a = 6.2º (755) – (S)-[6(111) x (100)] a = 9.5º schod substrát terasa „step“

  19. Metody studia struktury povrchů Difrakční Rozptylové Spektroskopické Mikroskopické XRD, LEED, RHEED, difrakce atomů Rozptyl – rtg, atomů, iontů FEM, FIM, STM, AFM, ...

  20. LEEDLow Energy Electron Diffraction • 1924:náhodný objev Davisson a Kunsman během studia emiseelektronů z Ni • 1927: Davisson and Germer nalezli difrakční maxima: • nl = D sinf • 1934:Fluorescenční stínítko (Ehrenburg) • 1960:UHV technologie E ~ 30 – 500 eV Mřížky – 1. Přímá dráha elektronů2, 3 Filtrace energií (záporný potenciál vůči vzorku)4 Stínění pole kolektoru Zdroj elektronů, držák vzorku, registrace – vše v UHV Detekce - W pokrytý Ni, 80% průchodnost

  21. Grid 1: retarding voltage(selects only elastic electrons) Fluorescent Screen Sample Grid 2: accelerating voltage(creates fluorescence on screen)

  22. l = h / p p = m.v = (2mEk )1/2 = (2m.e.V)1/2 => l = h / ( 2m.e.V )1/2

  23. Electron Diffraction X-ray Diffraction ki Angle f a D ki kf kf d d q

  24. p(2 x 2) c(2 x 2) b1 | = | b2 | = √2 u →  | b1*| = | b2*| = 1/ √2 u. rotace 45°.

  25. LEED: Si(111)7x7 Real Space: Si surface atoms • LargerD spacings give closer LEED spots (smaller f). • Higher energy electrons give closer spots. 7× bulk spacing Surface 7x spacing Bulk 1x spacing 35 eV 65 eV

  26. Ewaldova konstrukce pro LEED Difraktované svazky Ewaldova koule Tyče reciprokého prostoru Dopadající svazek vzorek

  27. . Si(111) GaAs(110) Sr2CuO2Cl2

  28. Sample Electron Gun f x D spacing R LEED spot

  29. Teorie LEED Coulombovská interakce e- x potenciál atomu Vysoké energie – Bornova apoximace LEED – komplexnější interakce Kvantově-mechanický rozptyl Hartree-Fock selfkonzistentní, potenciál muffin-tin, relativistické korekce rozptylová amplituda, t-matice, sada fázových posuvů, celkový účinný průřez Výpočty mnohonásobného rozptylu, dynamická teorie Účinný průřez interakce ~ 3x větší než rtg Analýza I vs. E křivek pro různé Braggovy svazky Teorie x Experiment - balíky programů

  30. 3D krystalografie povrchů

  31. Kritéria shody Speciální R-faktory

  32. Fe (310) Au (110) – (1 x 2)

  33. Terasy Difrakční funkce jedné terasy s 5 atomy Difrakční funkce 6 teras Celková difrakční funkce

  34. RHEEDReflection High Energy Electron Diffraction Malý úhel dopadu 1-3º E ~ 1 – 10 keV Hloubka průniku 30 – 100 Å Velká Ewaldova koule Studium růstu tenkých vrstev Objemově - difrakce na průchod, stopy Vrstva po vrstvě - kroužky Ni(110) – O2 Chemisorpce – pruhy, oxidace - jádra

  35. Ewaldova koule Tyče reciprokého prostoru Diffraktované svazky Stopy RHEED vzorek

  36. E-beam k-Space: Larger period  e-beam Real Space: Smaller period  e-beam k-Space: Smaller period  e-beam Real Space: Larger period  e-beam RHEED: Si(111)7x7

  37. Line profile of AlN <1120> RHEED: AlN RHEED image of AlN • Surface periodicity given by spacing between peaks. • Surface quality given by full-width at half-max of peaks. FWHM Intensity

  38. Rozptyl atomů 1929 Stern, He → LiF (100) Rozvoj od r. 1970 Tendulkar, Stickney HAS helium atom scattering Atomový svazekHe, Ne - 20 – 300 meV, 0,5 - 1 Å Přitažlivé van der Waalsovy sílyOdpudivé síly, překryv el. obalů Atom Surface Potential Vattr~ z-3 Vrep= k r(r), k – 170 – 520 eV Modulace – povrchová struktura povrchové vazby Corrugation function

  39. Corrugated Hard Wall model V(z) = 0, z > ζ(x,y)V(z) = inf, z > ζ(x,y) Zanedbání přitažlivé složky Daleko od povrchu Měřené intenzity = Rayleighova hypotéza, platí i na povrchu Komplexní rozptylová amplituda Soustava rovnic pro AG Iterační procedury Povrchově nejcitlivější metoda Silný rozptyl na atomech s malým atomovým číslem Rozdělení nábojové hustoty

  40. Chemisorpce H Povrchy izolantů Rekonstrukce povrchů Nesouměřitelné vrstvy Doplňková metoda k LEED Necitlivost k mezivrstevným vzdálenostem Vibrační charakteristiky

  41. Ni(100) - H

  42. EXAFSExtended X-Ray Absorption Fine Structure

  43. Měření absorpčního koeficientu v závislosti na energii dopadajícího záření Amplituda zpětného rozptylu od sousedního atomu vlnový vektor fotoelektronu s vazebnou energií E0 a střední volnou dráhou l(k)

  44. SEXAFS – Surface Extended X-Ray Absorption Fine StructureNEXAFS – Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure (XANES) Detekce fotoelektronů, Augerových elektronů Chemická selektivita!!! NEXAFS – 50 eV od hrany, komplikovaný mnohonásobný rozptyl, vliv detailního rozdělení el. hustoty Studium molekul (dominují intramolekulární procesy)

  45. Rh, K hranaFourierova transformace Rh, K hrana Sumace přes všechny sousední slupky Celkový fázový posuv DW faktor Neelastické procesy Nj efektivní koordinační číslo atomu ve vzdálenosti Rj Lokální okolí vybraného atomu

More Related