felületi önszerveződés

Az előadások a következő témára: "felületi önszerveződés"— Előadás másolata:

1 felületi önszerveződés
Kétdimenziós önszerveződő felületkémiai rendszerek jelentősége a nanotechnológiában nanoklaszter-depozíció egyenkénti klaszter- generálás felületi önszerveződés Nano-strukturált vékonyrétegek létrehozásának alapvető módszerei

2 Kétdimenziós önszerveződő felületkémiai rendszerek
főbb jellegzetességei 1. kvázi-periodikus nanoszerkezetek kilakításának egyik leggyorsabb módja; 2. a klasszikus kristályosítás egyik alesetének is tekinthető, de kiindulásként a felületi fázis átalakulásokra ill. az ún. felületi rekonstrukciókra is gondolhatunk; 3. a folyamat leírásában mind a termodinamikai (stabilitás, felületi szabadenergia minimalizálása), mind a kinetikai (felületi diffúzió) paraméterek fontos szerepet játszanak; 4. a legkülönbözőbb anyagi kombinációkra alkalmazható; 5. a folyamat matematikai modellezésében mind a kvantummechanika, mind a robosztus Monte Carlo szimulációk alkalmazása szükséges;

3 Néhány alapvető mechanizmus felületek és felületi vékonyrétegek nanométer léptékben periodikus, alapvetően kétdimenziós szerkezeteinek kialakulásában 1. egykristályok lapjainak orientálásával (vicinális felületek) kialakított lépcsős ill. periodikusan rekonstruált szerkezetek alkalmazása; 2. heteroepitaxiális szerkezeteknek a rácsállandók különbözőségéből adódó felületi relaxációja révén kialakuló periodikus anyagi rendszerek; 3. vékonyrétegek növesztési feltételeinek (deponálási sebesség és szubsztrát hőmérséklet) alkalmas megválasztásável kialakított 2D és 3D nanoklaszterek létrehozása (felületi nukleáció); 4. alkalmas nanostrukturált templáton (alapnyomaton) további mövesztéssel kialakított felületi nanoszerkezetek (funkcionalizált felületek);

4 [001] A TiO2 (110) felület néhány rekonstrukciója
TiO2(110) / (1x1) / (1x2) / (1xn) [001] felvételi paraméterek: U= +1.5 V, I = 0.2 nA 200 nm x 200 nm

5 jól rendezett (1x2) felület 1D hibahelyekkel dekorált (1x1) felület
TiO2(110) / (1x1) / (1x2) / (1xn) jól rendezett (1x2) felület 1D hibahelyekkel dekorált (1x1) felület (50 nm x 50 nm) különböző rekonstrukciók együttes jelenléte ! kereszt-sorokkal dekorált (1x2) felület (20 nm x 20 nm) (10 nm x 10 nm) lépcsőktől induló (1xn) szerkezet (20 nm x 20 nm) (10 nm x 10 nm)

6 Hogyan rendeződik az oxid felület, ha megzavarjuk a felületi szöchiometriát ionbombázással ?
( Lágy Ar+ bombázás ( 500 eV, 3 x 1013 ion cm2 s-1, 6 perc) és az azt követő hőkezelés hatása a TiO2(110)-(1×2) felület morfológiájára) 500 K VxOy / Rh(111) d = 1.5 nm 700 K a nanopöttyök (Ti2O 3)4-6 900 K 50 nm x 50 nm

7 Fémfelületek indukált rekonstrukciója, néhány nanométeres periodusok önszerveződéssel történő kialakulása W(111) felületre felvitt 1.2 monoréteg Pd ultravékonyfilm és hőkezelés (1075 K, UHV) 100 nm x 100 nm Három oldalú, kb nm átmérőjű, nm magas, bcc(211) lapokkal határolt piramisok alakulnak ki.

8 Ag-indukált periodikus átrendeződés (faceting) vicinális (nagy Miller-index) Cu(111) felületeken (1 monorétegnél kisebb Ag ultravékonyréteg) A felületi átrendeződés hajtóereje az, hogy a Cu(111) laphoz jól illeszkedő Ag(111) lap stabilizálja azt. A peiodicitás 3-30 nm tarto-mányban változtatható a boritottság függvé-nyében. Már 400 K körüli hőmérsékleteken stabil átrendeződés alakul ki. STM LEED

9 Adszorpció során kialakuló felületi periodikus nanoszerkezetek : N/ Cu(100) rendszer
Az így kialakított felületi nanoszerkezet templátként szolgálhat további depozíciós műveletekhez. Például Au párologtatással az arany részecskék a tiszta réz felülethez kötődve igyanilyen periodusú rendszert hoznak létre. Képméret:30 nm x 30 nm Az STM képek mérete: 100 nm x 100 nm. A Cu(100) felületet atomos (gerjesztett) nitrogénnel exponáljuk. Négyzet alakú nanoszerkezetek fejlődnek ki, amely a nitrogénnel borított területekhez köhtetők, miközben a felület többi része lényegében tiszta Cu(100). A részecskék mérete alapvetően független a borítottságtól, sürüségük viszont nő a borítottsággal. Az STM felvételeken a nitrogén borítottság: (b) 0.22, (c) 0.28, (d) 0.36 monoréteg.

10 Antimon (Sb) részecskék kialakítása Sb4 adszorpciójával ún
Antimon (Sb) részecskék kialakítása Sb4 adszorpciójával ún. pirolitikus grafit (HOPG) felületeken. A párologtatási sebességtől és a szubsztrát hőmérséklettől függően igen változatos nanoszerkezetek alakíthatók ki. Ezáltal lehet szabályozni mind a részecskék morfológiáját, mind az átlagos távolságukat. A kialakuló formák értelmezésében a felületi diffúziós folyamatoknak a felület heterogenitásából adódó különbségeit kell figyelemnbe venni.

11 Az ólom és a réz nem ad tömbi ötvözetet, mivel az atom sugarak, így a rácsállandók legalább 37%-ban különböznek. Ennek ellenére felületi ötvözet könnyen kialakulhat, ami viszont különleges periodikus rekonstrukciókat eredményez. Cu(111) Felületen a Pb borítottság növelése Cu(110) felületen 0.8 ML Pb borítottság Mivel a Cu(110) felület anizotróp, ezért a kialakult nanoszerkezet is anizótrópiát mutat

12 Ferrománeses nano-oszlopok kialakítása
Képméret:300 nm x 300 nm Ferrománeses nano-oszlopok kialakítása (Au felületen Co - Au réteg növesztése) Az Au(111) felület egy jellegzetes, ún. halszálkás nanoszerkezetet (rekonstrukciót) mutat, amelynek töréspontjaiban a Co nagyobb valószínűséggel kötödik, tehát itt képez gócokat. Munkafázisok Au (111) felületre 0.2 monoréteg Co párologtatása 300 K-en. (gócképződés) Au párologtatása 450 K-en a Co klaszterek közötti tér feltöltésére. (feltöltés) További Co és megfelelő Au párologtastás a Co nano-oszlopok növesztésére. (oszlop-növesztés)

13 100 nm 200 nm jól elkülönült nano-részecskék kialakítása
Két különböző módon növesztett Pt nanorészecskék TiO2 (110)-(1xn) felületen „konvencionális ” és „magképzés + növesztés” módszer 0.01 ML Pt 300 K + hőkezelés 1100 K-en 0.25 ML Pt 0.56 ML Pt 1.28 ML Pt 300 K tiszta TiO2 1.5 ML Pt 1000 K-en hőkezelt 1200 K-en jól elkülönült nano-részecskék kialakítása szűk méreteloszlásban 100 nm nm

14 Kémiai reakció (CO + CO = CO2(g) + Cad ) eredményeként kialakuló
C- nanoklaszterek Rh / TiO2 (110) felületen (részecske méret és morfológia hatása reaktivitásra) 10 mbar CO 300 K K K képméret: 200 nm x 200 nm Egy ígéretes lehetőség : nagyon kismérető szén nanoklasztrerekkel fedni a felületet (nanostrukturált szén hordozó)