nanoklaszter-depozíció egyenkénti klaszter- generálás felületi önszerveződés
DESCRIPTION
Kétdimenziós önszerveződő felületkémiai rendszerek jelentősége a nanotechnológiában. nanoklaszter-depozíció egyenkénti klaszter- generálás felületi önszerveződés. Nano-strukturált vékonyrétegek létrehozásának alapvető módszerei. Kétdimenziós önszerveződő felületkémiai rendszerek - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
nanoklaszter-depozíció
egyenkénti
klaszter- generálás
felületi önszerveződés
Nano-strukturált vékonyrétegek létrehozásának alapvető módszerei
Kétdimenziós önszerveződő felületkémiai
rendszerek jelentősége a nanotechnológiában
1. kvázi-periodikus nanoszerkezetek kilakításának egyik leggyorsabb módja;
2. a klasszikus kristályosítás egyik alesetének is tekinthető, de kiindulásként afelületi 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;
Kétdimenziós önszerveződő felületkémiai rendszerek
főbb jellegzetességei
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);
A TiO2 (110) felület néhány rekonstrukciója
TiO2(110) / (1x1) / (1x2) / (1xn)
felvételi paraméterek: U= +1.5 V, I = 0.2 nA
200 nm x 200 nm
[001]
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)
( 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
50 nm x 50 nm
a nanopöttyök
(Ti2O 3)4-6
700 K
900 K
Hogyan rendeződik az oxid felület, ha megzavarjuk a felületi szöchiometriát ionbombázással ?
VxOy / Rh(111)
d = 1.5 nm
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 10-15 nm átmérőjű, 1-1.5 nm magas, bcc(211) lapokkal határolt piramisok alakulnak ki.
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
Adszorpció során kialakuló felületi periodikus nanoszerkezetek : N/ Cu(100) rendszer
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.
Képméret:30 nm x 30 nm
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.
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.
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
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.
Képméret:300 nm x 300 nm
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)
Két különböző módon növesztett Pt nanorészecskék TiO2 (110)-(1xn) felületen
„konvencionális ” és „magképzés + növesztés” módszer
300 K
tiszta TiO2
300 K
1.5 ML Pt
1000 K-en hőkezelt
1200 K-enhőkezelt
0.01 ML Pt300 K+ hőkezelés 1100 K-en
0.25 ML Pt1100 K-en
0.56 ML Pt1100 K-en
1.28 ML Pt1100 K-en
100 nm 200 nm
jól elkülönült nano-részecskék kialakításaszűk méreteloszlásban
300 K 400 K 500 K
Kémiai reakció (CO + CO = CO2(g) + Cad ) eredményeként kialakuló C- nanoklaszterek Rh / TiO2 (110) felületen
(részecske méret és morfológia hatása reaktivitásra)
képméret: 200 nm x 200 nm
10 mbar CO
Egy ígéretes lehetőség :nagyon kismérető szén nanoklasztrerekkel fedni a felületet (nanostrukturált szén hordozó)