Adátomo

Palabra compuesta para designar un átomo adsorbido sobre la superficie de un material sólido.

Adatom según el modelo TLK

Un adatomo es un átomo que se encuentra sobre la superficie de un cristal y puede considerarse como lo opuesto a una vacante superficial . Este término se utiliza en química de superficies y epitaxia para describir átomos individuales que se encuentran sobre superficies y la rugosidad de la superficie . La palabra es un acrónimo de " átomo adsorbido ". Un solo átomo, un grupo de átomos o una molécula o grupo de moléculas pueden denominarse con el término general " adparticle ". Este suele ser un estado termodinámicamente desfavorable. Sin embargo, casos como el grafeno pueden proporcionar contraejemplos. ^[1]

Crecimiento

"Adatom" es una palabra compuesta , abreviatura de átomo adsorbido . Cuando el átomo llega a la superficie de un cristal, es adsorbido por el potencial periódico del cristal, convirtiéndose así en un adatom. Los mínimos de este potencial forman una red de sitios de adsorción en la superficie. Hay diferentes tipos de sitios de adsorción. Cada uno de estos sitios corresponde a una estructura diferente de la superficie. Hay cinco tipos diferentes de sitios de adsorción, que son: en una 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 la curva de una capa en crecimiento; en el borde del escalón 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 torcedura desempeñan el papel más importante en el crecimiento de los cristales . La densidad de torcedura es un factor importante de la cinética de crecimiento. La unión de un átomo al sitio de torcedura, o la eliminación del átomo de la torcedura, 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 torcedura sea igual al del cristal, lo que significa que el sitio de torcedura es el único tipo de sitio de adsorción donde un átomo adherido se convierte en parte del cristal. ^[2]

Si se utiliza cristalografía , o si las temperaturas de crecimiento son más altas, lo que daría lugar a un efecto de entropía , la superficie del cristal se vuelve rugosa, lo que provoca un mayor número de dobleces. Esto significa que los átomos adátomos tienen una mayor probabilidad de llegar a un punto de doblez y convertirse en parte del cristal. Este es el mecanismo normal de crecimiento. ^[2]

Lo contrario, es decir, con una temperatura de crecimiento más baja, daría una superficie lisa, lo que significa que hay un mayor número de sitios de adsorción en terrazas. Todavía hay sitios de torcedura, pero estos solo se encuentran en los bordes de los escalones. El cristal solo crece a través del "movimiento lateral de los escalones". ^[2] Este tipo de crecimiento se llama mecanismo de crecimiento en capas. La forma en que crecen los adatomos en la superficie depende de qué interacción es la más fuerte o de cómo se ve la superficie. ^[2] Si la interacción adatomo-adatomo es la más fuerte, es más probable que los adatomos creen pirámides de adatomos en la superficie. Si la interacción adatomo-superficie es la más fuerte, es más probable que los adatomos se ordenen de tal manera que creen capas en la superficie. Pero también depende de los orígenes de los escalones en la superficie. ^[3] En total, hay cinco tipos diferentes de crecimiento en capas: crecimiento normal, crecimiento de flujo escalonado, crecimiento capa por capa, crecimiento multicapa (o isla tridimensional) y crecimiento en espiral. ^[2]

El crecimiento por 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 adatomos se adhieren a los bordes de los escalones, se mueven a lo largo de la superficie, hasta que encuentran un sitio de quiebre al que adherirse para convertirse en parte del cristal. Sin embargo, si la densidad de quiebres no es lo suficientemente alta, y por lo tanto no todos los adatomos llegan a uno de los quiebres, se crean escalones adicionales, como si hubiera una superficie plana con pequeñas islas bidimensionales sobre ella, en las terrazas, lo que conduce a un modo de crecimiento mixto, que lleva a un cambio en el tipo de crecimiento de capas, de flujo escalonado a crecimiento capa por capa. ^[2]

En el crecimiento capa por capa, la interacción entre el átomo y la superficie es la más fuerte. ^[3] Se crea una nueva capa a través de islas 2D, que se crean en la superficie. Las islas crecen hasta que se extienden 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 interrumpe por restricciones cinéticas. En estos casos, el crecimiento en las capas superiores comienza antes de que finalicen 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 helicoidal , puede producirse un tipo diferente de crecimiento, denominado crecimiento en espiral. Alrededor de la dislocación helicoidal, se observa una forma espiral durante el crecimiento. Como la dislocación helicoidal provoca una espiral de crecimiento que no desaparece, es posible que no se necesiten islas para provocar el crecimiento del cristal. ^[2]

Los átomos se unen 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 mediante el calentamiento de una nueva película o centrifugación. Generalmente, lo que ocurre es que las partículas que se utilizan para formar una nueva capa no siempre se adsorberán. Para crear enlaces con la superficie se necesita energía y no todas las partículas tienen la cantidad necesaria de energía para adherirse a esa parte de la superficie (para diferentes partes se necesitan energías diferentes). Si uno tiene un flujo F de partículas entrantes, una parte de él se adsorberá, dado por el flujo de adsorción ^[2].

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

donde s es el coeficiente de adherencia . Esta variable no solo 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 observamos la termodinámica de la superficie de la película, se observa que se rompen enlaces, lo que libera energía, y se forman enlaces que limitan la energía. La termodinámica involucrada fue modelada por Walther Kossel e Ivan Stranski en 1920. Este modelo se llama modelo de cornisa de terraza (TLK). ^{[4] [5]}

El adatomo puede crear más de un enlace con el cristal, dependiendo de la estructura del cristal. Si se trata de una red cúbica simple , el adatomo 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 creen, más energía se confina, lo que hace más difícil desorber el adatomo. ^[6]

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

Átomos magnéticos

Los adatomos, debido a que tienen menos enlaces que los otros átomos en el cristal, tienen electrones no ligados . Estos electrones tienen espín y, por lo tanto, un momento magnético . Este momento magnético no tiene preferencia por la orientación hasta que se presente una influencia externa, como un campo magnético . La estructura de los adatomos en una superficie se puede ajustar cambiando el campo magnético externo. A través de este método se pueden simular situaciones teóricas, como la cadena atómica. La mecánica cuántica debe tenerse en cuenta al utilizar adatomos debido a la pequeña escala. ^[8]

El campo magnético creado por un átomo es causado principalmente por la órbita y el giro de los electrones. El momento magnético del protón y el neutrón es insignificante en comparación con el del electrón debido a sus mayores masas. Cuando un átomo con electrones libres está dentro de un campo magnético externo, su momento magnético se alinea con el campo externo porque esto reduce su energía. Es por eso que los electrones ligados no muestran este momento magnético, ya tienen un estado de energía favorable y es desfavorable cambiarlo. La magnetización de un átomo (alineado magnéticamente) está 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 hay interacción de intercambio . ${\displaystyle E=m_{j}g_{j}\mu _{B}B}$

Movimiento a través de una superficie

El movimiento de los átomos de adátomos a través de una superficie se puede describir mediante el modelo de Burton, Cabrera y Frank (CBF). El modelo trata a los átomos de adátomos como un gas 2D sobre la superficie. Los átomos de adátomos se difunden con una constante de difusión D; se desorben de nuevo al medio superior con una tasa de por átomo y se adsorben con un flujo F. ^[2] ${\displaystyle 1/\tau _{des}}$

La constante de difusión puede expresarse, cuando la concentración de partículas es pequeña, 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 pasar la barrera de difusión . ν ₀ es la frecuencia de intento. ^[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 de contorno puede conducir a una expresión para la velocidad de los adátomos 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, los científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur lograron utilizar la fosfina para expulsar de manera precisa y determinista un solo átomo de silicio sobre una superficie de silicio epitaxial . Este átomo resultante creó lo que se describe como un transistor de un solo átomo . Por lo tanto, en la medida en que las fórmulas químicas empíricas señalan las ubicaciones de los iones de ramificación que están unidos a una molécula en 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 del dispositivo basada en las ubicaciones nombradas. Por lo tanto, el mapeo de las sustancias dopantes proporcionará características exactas de cualquier dispositivo semiconductor dado , una vez que se conozca todo. ^[9]

Con la tecnología disponible hoy en día es posible crear una cadena lineal de átomos adátomos sobre una película epitaxial, con lo que se pueden analizar situaciones teóricas.

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

Referencias

1. Marian A. Herman; Wolfgang Richter; Helmut Sitter (2004). Epitaxia: principios físicos e implementación técnica. Springer. pág. 322. ISBN 3-540-67821-2.
2. Shiraki, Y.; Usami, N. (2011). Nanoestructuras de silicio-germanio (SiGe): producción, propiedades y aplicaciones en electrónica. Woodhead Publishing. págs. 51–60. ISBN 9781845696894.
3. "Superficies, crecimiento y relajación de la tensión". 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. Göttingen, 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 generados aleatoriamente en los planos (001), (110) y (111) de un cristal cúbico centrado en las caras". Thin Solid Films . 300, 1–2 (1–2): 305–313. Bibcode :1997TSF...300..305I. doi :10.1016/S0040-6090(96)09507-7.
8. Toskovic, R. (19 de junio de 2018). Átomos magnéticos como bloques de construcción para el magnetismo cuántico. Delft: Universidad Tecnológica de Delft. p. 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 . 7 (4). Naturaleza : 242–246. Código Bib : 2012NatNa...7..242F. doi :10.1038/nnano.2012.21. PMID  22343383. S2CID  14952278 . Consultado el 20 de febrero de 2012 .