ساختارهای سطحی و حالات آن‌ها در فضای واقعی



ساختارهای سطحی و حالات آن‌ها در فضای واقعی

 

مترجم: زهرا هدایت منش
منبع:راسخون
 
سطح شناسان سال‌ها کوشیده‌اند تا اثر متقابل میان ساختار هندسی و ساختار الکترونیکی سطح را دریابند. این دو موضوع معمولاً در آزمایش‌های جداگانه مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و آن وقت ارتباط نظری میان آن‌ها برقرار شده است. در این مطالعات، اطلاعات تجربی روی سطح کاوه آزمایش، متوسط گیری می‌شود و نظریه مکانیک کوانتومی برای فراهم آوردن درکی در سطح اتمی به کار گرفته می‌شود. در یک رشته از آزمایش‌ها بر روی سطوح سیلسیوم، برای نخستین بار از میکروسکوپی تونلی روبشی (STM) به منظور پل زدن بر روی شکاف میان ساختار هندسی و ساختار الکترونیکی، با تفکیک اتمی، استفاده شده است.
تصویرهای STM که از اعمال ولتاژهای مختلف میان نوک و نمونه مورد آزمایش حاصل می‌شوند عموماً متفاوت‌اند، زیرا تنها تابع موج‌هایی که انرژی‌های آن‌ها بین ترازهای فرمی نوک و نمونه است در فرآیند تونل زدن سهیم‌اند. هنگام افزایش اختلاف ولتاژ، هر بار یک حالت کوانتومی جدید شروع به مشارکت در فرآیند تونل زنی می‌کند و رسانندگی تونل زنی به طور پله‌ای افزایش می‌یابد (به شرط آنکه فاصله نمونه – نوک ثابت نگه داشته شود). به این ترتیب، انرژی‌هایی را که به ازای آن‌ها حالت‌های سطحی رخ می‌دهند را می‌توان با اندازه‌گیری منحنی‌های مشخصه جریان – ولتاژ (V-I) تعیین کرد. برای ایجاد تصویرهای دوبعدی حالت‌های سطحی، روش جدیدی به نام طیف نمایی تونل زنی با نقش جریان (CITS) ، به منظور جداکردن اطلاعات طیف نمودی از سایر اطلاعات، به ویژه مشخصات هندسی سطح، ابداع کرده‌ایم. این روش جدید چند مسئله مبتلا به پژوهشگرانی را که سعی در تصویرسازی از ساختار الکترونیکی سطح داشتند، حل کرده است.
مسئله اصلی، جداکردن اطلاعات مربوط به ساختار هندسی از اطلاعات الکترونیکی در تصویرهای STM است. در یک مدل معین تصویر هندسی خالص را می‌توان با برهم‌نهی چگالی‌های بار اتمی، که در آن‌ها حالت‌های سطحی در نظر گرفته نشده‌اند، به آسانی محاسبه کرد. سطح‌های با چگالی بار ثابت در محل نوک چیزی را آشکار می‌کنند که باید در غیاب حالت‌های سطحی، تصویر STM به آن شبیه می‌بود.
با آزمایش معلوم شده است که در شرایط پیش ولت مناسب، نوک به خوبی این پربندهای هندسی خالص را دنبال می‌کند. با روش CITS، در حالی که نوک مستقلاً پربند هندسه را دنبال می‌کند، می‌توانیم منحنی‌های کامل V-I را در هر تقسیم بندی کوچک تصویر STM، اندازه بگیریم. به این ترتیب، تغییرات جریان تونلی بر حسب موضع جانبی، مستقیماً اختلاف‌های موجود در ساختار الکترونیکی سطح را ظاهر می‌سازد با این روش ما موفق شده‌ایم نخستین تصویرهای حالت‌های سطحی پر و خالی سطح‌های ۷×۷ سیلسیوم و ۱×۲ سیلسیوم را که از لحاظ فضایی و انرژی در مقیاس اتمی تفکیک شده‌اند، به دست بیاوریم.
حالت‌های سطحی مشاهده شده با نتایج حاصل از آزمایش‌های فوتوگسیلش و فوتوگسیلش وارون کاملاً سازگارند. به علاوه ما توانسته‌ایم این حالت‌های سطحی را مستقیماً با خصوصیات اتمی ویژه در ساختار سطح مرتبط کنیم. به این ترتیب، یک حالت سطحی پر نزدیک به تراز فرمی، وابسته به اوربیتال‌های پیوند آویزان ۱۲ اتم جذب شده بر روی سطح را در یاخته واحد (۷×۷) سیلسیوم (۱۱۱) مشاهده کرده‌ایم علاوه بر آن، ۷ اوربیتال با انرژی eV8ر۰ پایین‌تر از تراز فرمی، وابسته به پیوندهای شکسته، بر روی اتم‌های سیلسیوم با هم آرایی سه لا (موسوم به اتم‌های سکون) در لایه‌های سطحی زمینه پیدا کرده‌ایم. محل این حالت‌ها بیشتر مربوط به خصوصیات اتمی مدلی است که تاکایاناگی و دیگران پیشنهاد کرده‌اند. کارهای نظری جدیدی که نورتروپ روی زیر واحدهای (۷×۷) یاخته انجام داده است با این نتایج به خوبی سازگارند. محل حالت‌های اتم‌های سکون گواه فضای حقیقی مستقیمی است بر حضور گسستگی روی هم چینی در لایه دوگانه، درست در زیر اتم‌های جذب شده بر روی سطح در نیمی از یاخته واحد.
سطح (۱×۲) سیلسیوم (۰۰۱) با تشکیل پیوندهای دو پاری میان اتم‌های سطحی مجاور بازسازی می‌شود و در نتیجه تعداد پیوندهای شکسته به نصف کاهش می‌یابد. ما حالت پیوندی جا گرفته بر روی و میان اتم‌های دوپار و اوربیتال‌های پاد پیوندی جا گرفته بر روی سرهای بیرونی دوپارها را مشاهده کرده‌ایم. بعضی از دوپاره‌ها خم شده‌اند. در این دوپاره‌ها، ما دریافتیم که حالت پیوندی شدیداً در طرف بالای دوپار و حالت پاد پیوندی در طرف پایین دوپار متمرکز شده است. این جدایی فضایی قابل ملاحظه اوربیتال‌های پیوندی و پاد پیوندی دلیل محکمی بر انتقال بار از اتم پایین به اتم بالاست. امکان این انتقال بار مرتبط با خمیدگی، سال‌ها مورد مناقشه بوده است و گاف نوار مشخص حالت سطحی را توضیح می‌دهد. یافته‌های تجربی ما با کارهای نظریی که آیم و دیگران انجام داده‌اند کاملاً سازگار است.
علاوه بر خصوصیات الکترونیکی مربوط به ساختار سطحی منظم، حالت‌های الکترونی جایگزیده گوناگون که در اثر کاستی‌های ساختاری با مقیاس اتمی ایجاد شده‌اند را نیز مشاهده کرده‌ایم. مطالعه این کاستی‌ها برای درک بهتر بسیاری پدیده‌های فیزیکی، که کاستی در آن‌ها نقش غالب را دارد، نظیر تشکیل سد شوتکی، سیمی سطح (پله‌ها ، پیچ‌ها) و شکست دی الکتریک اکسیدی، اهمیت دارد. مهمتر از همه آنکه اکنون می‌توانیم همزمان ساختار هندسی و ساختار الکترونیکی سطح را در مقیاس اتمی مطالعه کنیم.

 



لینک منبع

اشتراک گذاری مطلب

انتشار مطالب با ذکر منبع مجاز می باشد.