adatom

Acrónimo de un átomo adsorbido en la superficie de un material sólido.

Adamom según el modelo TLK .

Un adatom es un átomo que se encuentra sobre una superficie de cristal y puede considerarse como lo opuesto a una superficie vacante . Este término se utiliza en química de superficies y epitaxia , cuando se describen átomos individuales que se encuentran en superficies y la rugosidad de las superficies . La palabra es una combinación de " átomo adsorbido ". Un solo átomo, un grupo de átomos o una molécula o grupo de moléculas pueden denominarse todos con el término general " adpartícula ". Este es a menudo un estado termodinámicamente desfavorable. Sin embargo, casos como el del grafeno pueden proporcionar ejemplos contrarios. ^[1]

Crecimiento de adatom

″Adatom″ es una palabra acrónimo , abreviatura de átomo adsorbido . Cuando el átomo llega a la superficie de un cristal, es absorbido por el potencial periódico del cristal, convirtiéndose así en un adatomía. Los mínimos de este potencial forman una red de sitios de adsorción en la superficie. Existen diferentes tipos de sitios de adsorción. Cada uno de estos sitios corresponde a una estructura diferente de la superficie. Existen cinco tipos diferentes de sitios de adsorción, los cuales son: en terraza, donde el sitio de adsorción está encima de la capa superficial que está creciendo; en el borde del escalón, que está al lado de la capa en crecimiento; en el pliegue de una capa en crecimiento; en el borde escalonado de una capa en crecimiento y en la capa superficial, donde el sitio de adsorción está dentro de la capa inferior. ^[2]

De estos tipos de sitios de adsorción, los sitios de torsión desempeñan el papel más importante en el crecimiento de los cristales . La densidad de torsión es un factor importante de la cinética de crecimiento. La unión de un átomo al sitio de torsión, o la eliminación del átomo de la torsión, no cambia la energía superficial libre del cristal, ya que el número de enlaces rotos no cambia. Esto da como resultado que el potencial químico de un átomo en el sitio de torsión es igual al del cristal, lo que significa que el sitio de torsión es el único tipo de sitio de adsorción donde un adatom se convierte en parte del cristal. ^[2]

Si se utiliza cristalografía , o si las temperaturas de crecimiento son más altas, lo que daría un efecto de entropía , la superficie del cristal se vuelve rugosa, provocando un mayor número de torceduras. Esto significa que los adatoms tienen una mayor probabilidad de llegar a un sitio de torsión para convertirse en parte del cristal. Este es el mecanismo normal de crecimiento. ^[2]

Lo contrario, es decir, con una temperatura de crecimiento más baja, se obtendría una superficie lisa, lo que significa que hay un mayor número de sitios de adsorción en terrazas. Todavía hay puntos de torsión, pero sólo se encuentran en los bordes de los escalones. El cristal sólo crece mediante el "movimiento lateral de los escalones". ^[2] Este tipo de crecimiento se denomina mecanismo de crecimiento por capas. La forma en que los adatoms crecen en la superficie depende de qué interacción es más fuerte o de cómo se ve la superficie. ^[2] Si la interacción adatom-adatom es la más fuerte, es más probable que los adatoms creen pirámides de adatoms en la superficie. Si la interacción adatom-superficie es más fuerte, es más probable que los adatoms se organicen de tal manera que creen capas en la superficie. Pero también depende del origen de los escalones en la superficie. ^[3] En total, hay cinco tipos diferentes de crecimiento de capas: crecimiento normal, crecimiento de flujo escalonado, crecimiento capa por capa, crecimiento multicapa (o isla tridimensional) y crecimiento en espiral. ^[2]

El crecimiento del flujo escalonado se observa en superficies similares a escaleras. Estas superficies tienen una geometría con escalones vecinales separados por "terrazas atómicamente planas de bajo índice". ^[2] Cuando los adatoms se adhieren a los bordes de los escalones, se mueven a lo largo de la superficie, hasta que encuentran un sitio retorcido donde unirse y convertirse en parte del cristal. Sin embargo, si la densidad de los pliegues no es lo suficientemente alta y, por lo tanto, no todos los adatoms llegan a uno de los pliegues, se crean escalones adicionales en las terrazas, como si hubiera una superficie plana con pequeñas islas bidimensionales, lo que lleva a un modo de crecimiento mixto, que conduce a un cambio en el tipo de crecimiento de las capas, desde un flujo escalonado hasta un crecimiento capa por capa. ^[2]

En el crecimiento capa por capa, la interacción adatom-superficie es la más fuerte. ^[3] Se crea una nueva capa a través de islas 2D, que se crea en la superficie. Las islas crecen hasta extenderse por toda la superficie, y la siguiente capa comenzará a crecer. Este crecimiento se denomina crecimiento de Frank-Van der Merwe (FM) . ^[2]

En algunos casos, el ciclo de creación de nuevas capas en el crecimiento capa por capa se rompe por limitaciones cinéticas. En estos casos, el crecimiento en las capas superiores comienza antes de que terminen las capas inferiores, lo que significa que se crean islas tridimensionales. Se inicia un nuevo tipo de crecimiento, llamado crecimiento multicapa, en lugar del crecimiento capa por capa. El crecimiento multicapa se puede dividir en crecimiento de Volmer-Weber y crecimiento de Stranski-Krastanov . ^[2]

Si la superficie del cristal contiene una dislocación de tornillo , podría tener lugar un tipo diferente de crecimiento, llamado crecimiento en espiral. Alrededor de la dislocación del tornillo, se observa una forma de espiral durante el crecimiento. Como la dislocación del tornillo provoca una espiral de crecimiento que no desaparece, es posible que no se necesiten islas para provocar el crecimiento de los cristales. ^[2]

Los adatoms están unidos a la superficie mediante epitaxia. En este proceso, se crean nuevas capas de un cristal mediante la unión de nuevos átomos. Esto puede ser mediante una reacción química, o calentando una nueva película o centrifugándola. Generalmente lo que ocurre es que las partículas que se utilizan para formar una nueva capa, no siempre serán adsorbidas. Para crear enlaces con la superficie, se necesita energía y no todas las partículas tienen la cantidad necesaria de energía para unirse a esa parte de la superficie (para diferentes partes, se necesitan diferentes energías). Si uno tiene un flujo F de partículas entrantes, parte de él será adsorbido, dado por el flujo de adsorción ^[2]

${\displaystyle J_{ads}=sF}$

donde s aquí es el coeficiente de adherencia . Esta variable no sólo depende de la superficie y de la energía del átomo entrante, sino también de la naturaleza química tanto de la partícula como de la superficie. Si tanto la partícula como la superficie están hechas de una sustancia que reacciona fácilmente con otras partículas, es más fácil que los átomos se adhieran a la superficie. ^[2]

Termodinámica de superficies

Si se observa la termodinámica en la superficie de la película, se ve que los enlaces se rompen, liberando energía, y se forman enlaces, confinando la energía. La termodinámica involucrada fue modelada por los dos alemanes W. Kossel y N. Stranski en 1920. Este modelo se llama modelo Terrace ledge kink (TLK). ^{[4] [5]}

El adatom puede crear más de un enlace con el cristal, dependiendo de la estructura del cristal. Si se trata de una red cúbica simple , el adatom puede tener hasta 6 enlaces, mientras que en una red cúbica centrada en las caras , puede tener hasta 12 vecinos más cercanos. Cuantos más enlaces se crean, más energía queda confinada, lo que hace más difícil desorber el adatom. ^[6]

Un sitio especial para un adatom es un pliegue, donde se pueden crear exactamente la mitad de los enlaces con la superficie, también llamado "posición de medio cristal". ^[7]

Adamatos magnéticos

Los adatoms, debido a que tienen menos enlaces que los demás átomos del cristal, tienen electrones libres . Estos electrones tienen espín y por tanto un momento magnético . Este momento magnético no tiene preferencia de orientación hasta que esté presente una influencia externa, como un campo magnético . La estructura de los adatomes sobre una superficie se puede ajustar cambiando el campo magnético externo. Mediante este método se pueden simular situaciones teóricas, como la cadena atómica. Es necesario tener en cuenta la mecánica cuántica cuando se utilizan adatoms debido a su pequeña escala. ^[8]

El campo magnético creado por un átomo es causado principalmente por la órbita y el espín de los electrones. El momento magnético del protón y del neutrón es insignificante en comparación con el del electrón debido a sus masas mayores. Cuando un átomo con electrones libres está dentro de un campo magnético externo, su momento magnético se alinea con el campo externo porque esto disminuye su energía. Por eso los electrones ligados no presentan este momento magnético, ya tienen un estado energético favorable y es desfavorable cambiar. La magnetización de un átomo (magnéticamente alineado) viene dada por:

${\displaystyle M={\frac {Ng_{j}^{2}\mu _{B}^{2}B}{3k_{b}T}}j(j+1)}$

Donde N es el número de electrones, g _j es el factor g, μ _B es el magnetón de Bohr , k _b es la constante de Boltzmann , T es la temperatura y j es el número cuántico del momento angular total . Esta fórmula se cumple bajo el supuesto de que la energía magnética de un electrón está dada por y no existe interacción de intercambio . ${\displaystyle E=m_{j}g_{j}\mu _{B}B}$

Movimiento de adatom a través de la superficie.

El movimiento de los adatoms a través de una superficie puede describirse mediante el modelo de Burton, Cabrera y Frank (CBF). El modelo trata a los adatoms como un gas 2D encima de la superficie. Los adatomes difunden con una constante de difusión D; se desorben nuevamente al medio anterior a una velocidad de por átomo y se adsorben con fundente F. ^[2] ${\displaystyle 1/\tau _{des}}$

La constante de difusión puede ser, cuando la concentración de partículas es pequeña, expresada como:

${\displaystyle D={\frac {1}{4}}a^{2}\nu _{0}{\text{exp}}(-{\frac {E_{D}}{k_{b}T}})}$

Donde a es la distancia de salto del átomo. E _D es la energía necesaria para atravesar la barrera de difusión . ν ₀ es la frecuencia de intentos. ^[2]

El modelo CBF obedece a la siguiente ecuación de continuidad :

${\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}=D\nabla ^{2}n+F-{\frac {n}{\tau _{des}}}}$

La combinación de los estados estacionarios ( ) con las siguientes condiciones límite puede conducir a una expresión para la velocidad de los adatoms en cada sitio de adsorción. ^[2] ${\displaystyle dn/dt=0}$

${\displaystyle \nu _{i}=\beta _{inc}[n_{1}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{inc}[n_{u}(x_{i})-{\tilde {n}}]}$

Las condiciones de contorno:

${\displaystyle D{\frac {\mathrm {d} n_{1}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{inc}[n_{1}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

Y:

${\displaystyle -D{\frac {\mathrm {d} n_{u}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{inc}[n_{u}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

Aplicaciones

En 2012, científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur pudieron utilizar fosfina para expulsar de forma precisa y determinista un único átomo de silicio sobre una superficie de silicio epitaxial . Este adatom resultante creó lo que se describe como un transistor de un solo átomo . Por lo tanto, dado que las fórmulas químicas empíricas señalan las ubicaciones de los iones ramificados que están unidos a una molécula particular, el dopante de los transistores basados ​​en silicio y otros componentes electrónicos similares tendrá la ubicación identificada de cada átomo o molécula dopante, junto con la característica asociada de el dispositivo según las ubicaciones nombradas. Por tanto, el mapeo de las sustancias dopantes proporcionará las características exactas de cualquier dispositivo semiconductor determinado , una vez que se sepa todo. ^[9]

Con la tecnología disponible hoy en día es posible crear una cadena lineal de adatomes encima de una película epitaxial. Con esto se pueden analizar situaciones teóricas.

Además, Usami et al. Pudieron crear pozos cuánticos agregando átomos de Si a un cristal masivo de SiGe. Dentro de estos pozos observaron fotoluminiscencia de excitones que estaban confinados en estos pozos. ^[2]

Referencias

1. Mariana A. Herman; Wolfgang Richter; Helmut Nitter (2004). Epitaxia: principios físicos e implementación técnica. Saltador. pag. 322.ISBN​ 3-540-67821-2.
2. Shiraki, Y.; Usami, N. (2011). Nanoestructuras de silicio-germanio (SiGe): producción, propiedades y aplicaciones en electrónica. Publicación Woodhead. págs. 51–60. ISBN 9781845696894.
3. "Superficies, crecimiento y relajación de tensiones". Warwick . 8 de diciembre de 2010 . Consultado el 24 de enero de 2022 .
4. Kossel, W., Ampliación de la ley de Bravais. Nachr. Ges. Wiss. Gotinga, 1927, 143.
5. Stranski, IN, Zur Theorie des Kristallwachstums. Z. Phys. Química 1928, 136, 259-278.
6. Oura, K.; Katayama, M.; Zotov, AV; Lifshits, VG; Saranin, AA (2003). Ciencia de superficies - Springer . Textos Avanzados en Física. doi :10.1007/978-3-662-05179-5. ISBN 978-3-642-05606-2.
7. Imai, Yoji; Mukaida, Masakazu; Watanabe, Akio; Tsunoda, Tatsuo (1997). "Energías de formación de núcleos bidimensionales generadas aleatoriamente en los planos (001), (110) y (111) de un cristal cúbico centrado en la cara". Películas sólidas delgadas . 300, 1–2 (1–2): 305–313. Código Bib : 1997TSF...300..305I. doi :10.1016/S0040-6090(96)09507-7.
8. Toskovic, R. (19 de junio de 2018). Adamatos magnéticos como componentes básicos del magnetismo cuántico. Delft: Universidad Tecnológica de Delft. pag. 2.ISBN​ 978-90-8593-347-2.
9. Fuechsle, Martín; Miwa, Jill A.; Mahapatra, Suddhasatta; Ryu, Hoon; et al. (19 de febrero de 2012). "Un transistor de un solo átomo". Nanotecnología de la naturaleza . Naturaleza . 7 (4): 242–246. Código Bib : 2012NatNa...7..242F. doi :10.1038/nnano.2012.21. PMID  22343383. S2CID  14952278 . Consultado el 20 de febrero de 2012 .