Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357.

Az előadások a következő témára: "Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357."— Előadás másolata:

1 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu ANYAGTUDOMÁNYI VIZSGÁLATI MÓDSZEREK Az ideális (végtelen) kristályszerkezettől való eltérés következményei 0D: Ponthibák Elvben: 0D kiterjedésű, egy atomnyi méretű eltérések az ideális periodicitástól Gyakorlatban: a szomszédos atomok átrendeződnek. Relaxáció: a környezet szimmetriája megőrződik. Rekonstrukció: a környezet szimmetriája csökken. szerkezeti (intrinsic) ponthibák szennyezések (extrinsic ponthibák) rácshelyenvakancia (pl. SiC:V C )szubsztitúciós (SiC:N C ) antisite hiba (SiC:C si ) rácsközi helyenönintersticiális (SiC:C i )intersticiális (SiC:B i )

2 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Idegen atomok következményei az elektronszerkezetben E atom kristály Pauli elv vegyértéksáv vezetési sáv [100] k E Kis koncentráció esetén az idegen atomok messze vannak ahhoz, hogy kölcsönhassanak, így közelítőleg azonos energiájú diszkrét új szinteket hoznak létre. Az atom elektronegatívitásától és környezetétől függően a tiltott sávban nívók jelenhetnek meg.

3 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Szigetelő tiltott sávjába eső nívók következményei Optikai abszorpció E 0.0 eV 8.8 eV SZÍNCENTRUMOK rubin: Al 2 O 3 :Cr Al korund: Al 2 O 3 Cr

4 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Szigetelő tiltott sávjába eső nívók következményei Félvezető tulajdonság donor állapot n C > p V : n-típusú vezetés akceptor állapot n C < p V : p-típusú vezetés Részben betöltött sávban lehetséges a vezetés! területszelektív adalékolás: egyensúlyban E F kiegyenlítődik Félvezető dióda! E F A töltéshordozók átlagos energiája eltolódik

5 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu A környezet szerepe RelaxációRekonstrukció C V 3 d sp b a a' b' A mélyen fekvő szintek nem adnak szabad töltéshordozókat, csak befogják őket (csapdák).  Színcentrumok (LED) A szándékosan bevitt idegen atomok: adalékok. A többi: szennyezés!

6 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Intrinszik kristályhibák Termodinamika III. főtétele:  nincs tökéletes kristály! Vakanciák (Schottky-hibák) termikus egyensúlyban: (Vakancia-önintersticiális párok (Frenkel-hibák) t.e.-ban: ) Az intrinszik hibák elektronikai félvezetőkben általában csapdák. Bizonyos szubsztochiometrikus oxid szigetelőket viszont félvezetővé tehetnek. Vakancia a gyémántrácsú kristályokban

7 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Egyensúlyi koncentrációk 1/kT ln N E form oldékonysági ARRHENIUS görbe az atom kémiai potenciálja kristállyal termikus egyensúlyban levő tartályban. (közelítés a kristályban: csak viszonylag alacsony T-n igaz)

8 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Diffúzió Inhomogén c koncentráció esetén ha a diffúzivitás, D, nem függ a helytől: A diffúzió aktivációs energiáját az egyensúlyi helyek közötti energiagát magassága szabja meg, amihez a vakanciamechanizmus esetén hozzáadódik a vakanciák gyakoriságát megszabó E v vakanciakeltési energia is. 1/kT ln D EdEd diffúzivitás ARRHENIUS görbéje

9 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Deszorpció A szilárdtest felületére kijutott atomnak további E a aktivációs energiagátat kell legyőznie, hogy deszorbeálódhasson a felületről! 1/kT ln C out EaEa Deszorpciós ARRHENIUS görbe E tot tömbfelület x EdEd E form EaEa EbEb (befogás egy másik hiba által)

10 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Idegen atomok következményei nagy koncentrációban Szennyezések < 10 15 cm -3 ~ 1 ppb Adalékok 1 ppb - 10 ppm Ötvözők 10 ppm - 5 % E atom kristály Pauli elv vegyértéksáv Pauli elv vezetési sáv Fémes (degenerált) vezetés félvezetőkben. Tiltott sáv “szabászat” szigetelőkben: Mágneses ötvözők félvezetőkben… Mechanikai ötvözők fémekben… Alapvető szerkezeti változás nélkül.

11 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu 1D: Vonalhibák, DISZLOKÁCIÓK A vonalhibák a rácsban egymáshoz képest rácshelynyi távolsággal elcsúszott félsíkok határoló vonalai ÉLDISZLOKÁCIÓ (vonal  a csúszási irányra) CSAVARDISZLOKÁCIÓ (vonal || a csúszási iránnyal) Diszlokációk keletkezése: mechanikai megmunkálás, hirtelen hőkezelés feszültség alatt. Diszlokációk hatása: megkönnyíti a képlékeny alakítást fémekben, elektronikus szempontból rontja a félvezetőt. Diszlokációk kimutatása: marás után röntgentopográfiával vagy elektronmikroszkóppal a felületen.

12 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu 2D: Felülethibák (rétegződési hibák, ikerhatárok, kis és nagyszögű szemcsehatárok), felületek, határfelületek Periodikus felületek (mérés: alagútmikroszkópiával). Rutil-TiO 2 (001) felület rekonstrukciója és a felület szimulált STM képe A “hiányzó kristályfél” miatt a felület atomjainak egyensúlyi helyzete változik. A felületre merőleges (a párhuzamos tömbi sík periodicitását megőrző) elmozdulás a relaxáció. A felület menti periodicitás módosulása a rekonstrukció. (ionos koordináció optimálása)

13 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Pl.: Si (001) felület (2x1)-es rekonstrukciója lógó kötés minimalizáció

14 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu A felületi rekonstrukció leírásának konvenciója (Woods jelölés : a felületi és a párhuzamos tömbi transzlációs egységvektorok aránya)

15 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Különböző felület — különböző rekonstrukció

16 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Adatom-szuperstruktúrák: Si (111) Saját-adatom szuperstruktúrák jelentősége: epitaxiás kristálynövesztés Adszorbátum szuperstruktúrák jelentősége: heterogén katalízis

17 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu A periodikus felület hibái SEM STM Jelentőség: A felület növekedésének jellege a felületi diffúzió és az adszorpció/deszorpció relatív sebességétől függően szigetes vagy réteges  epitaxia…

18 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Reális határfelületek A reális határfelület véges vastagságú, mindkét érintkező fázistól eltérő tulajdonságú köztes fázis.

19 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu ANYAGTUDOMÁNYI VIZSGÁLATI MÓDSZEREK A szilárdtest atomjainak rezgései Ha T  0, (azaz mindig) a periodikus potenciált szolgáltató iontörzsek rezegnek! 1. Ha T nem túl nagy: a rezgések harmonikusak. 2. Az atomok közti csatolás miatt a rezgésállapot harmonikus síkhullámok formájában terjed. u(r 0,t) t

20 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Akusztikus és optikai hullámok a kristályrácsban - Egyatomos bázisú kristályban az elemi cella tömegközéppontja szükségképpen együtt mozog az atomokkal. - Az atomok rezgése folytán lokálisan csökkenő-növekvő atomtávolságok sűrűséghullámnak felelnek meg.  Hangterjedés a szilárdtestben: akusztikus hullám -Többatomos bázisú kristályban az atomok rezeghetnek “azonos fázisban”, együtt az elemi cella tömegközpontjával, vagy “ellenfázisban”, úgy, hogy a cella tömegközpontja nyugalomban van.  Fényterjedés a szilárdtestben: optikai hullám -Különféle atomok “ellenfázisú rezgése” dipolrezgések hullámának felel meg, ami elektromos térrel, azaz fénnyel gerjeszthető.

21 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Fononok A szilárdtestben terjedő rezgéshullámok ugyanúgy energiakvantumokat, fononokat szállítanak, mint ahogy a fény fotonokat. Másszóval: A fononok diszperziós relációja: Kétatomos bázisú rácsban 3 - 3 (a polarizációs lehetőségeknek megfelelő) akusztikus és optikai diszperiós ág van.  X

22 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu A rácsrezgések mérése Fononok kelthetők fény (foton) abszorpció hatására: IR spektroszkópia. Fononok kelthetők fény (foton) rugalmatlan szóródásával: Raman spektroszkópia Feltétel: a kristálybázisnak legyen dipolmomentuma! Feltétel: E fonon k E foton = ??? Mivel a fotonok impulzusa sokkal kisebb, mint a fononoké, így csak a nagyon kis hullámhosszú fononok gerjeszthetők fénnyel!! (Ez mind a Raman, mind az IR spektroszkópiánál igaz. A többi: neutronszórás….) A szilárdtest Raman-frekvenciája.

23 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu A fényhullám és a rácsrezgéshullám kölcsönhatása E fonon k E foton = Csatolás a kétféle hullám között - együtthaladás! (a szilárdtest fényvezetése) abszorpció

24 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Lokális hibák, lokális rezgési módusok 1. Az izolált kristályhiba rezgései nem csatolódnak erősen a gazdaatomok rezgéseihez: E fonon k Lokalizált rezgések (k = 0)  molekularezgés szilárd közegben (csökkent frekvenciák  r > 1 miatt). 2. A kristályhiba töltéstranszfert, és így dipolmomentumot okoz  a hibák, szennyezések rezgései IR-rel és Raman-nal is mérhetők. (Eltérő szimmetria kiválasztási szabályok!!) 3. A mért jel intenzitása kalibrálható a koncentrá- cióhoz! 4. Legkönnyebben a könnyű atomok Raman- frekvencia fölé eső vegyértékrezgései mérhetők.

25 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu Valóban harmonikusak-e a rácsrezgések? Harmonikus = szinusz: Rugalmas test: Hook törvény!! IGEN…. De akkor hogy is van ez a hőtágulás? Harmonikus potenciálban az atomok egymáshoz képesti átlagos távolsága nem változna. V xx0x0 Valójában az atomokra ható potenciál: nem harmonikus …DE CSAK ALACSONY T-n! 1.Ha a rezgések anharmonicitása nő, az elektronok ütköznek a fononokkal (ellenállás!). 2.Hibák közelében mindig van anharmonicitás: vannak nem sugárzásos átmenetek!

26 Dr. Gali Ádám, egyetemi adjunktus BME Fizikai Intézet, Atomfizika Tanszék, Felületfizika Laboratórium 1111 Budapest, Budafoki út 8. T: 463-1580F: 463-4357 E: agali@eik.bme.hu W: http://www.fat.bme.hu VÉGE - ENDE - THE END - FIN egyelőre Akit érdekel: “Alkamazott szilárdtestfizika” doktori tárgy: alaposabb alapozással!