Fyzika povrchů

Fyzika povrchů

Kód předmětu: NNEVF129 Přednáší: doc. RNDr. Jiří Pavluch, CSc.

Obecné informace k předmětu

• Stránky předmětu na SISu

Zápisy z přednášek

9. 10. 2008

Definice povrchu:

není univerzální, závisí na aplikaci.

• Někdy několik Å, někdy i několik μm.
• závisí na skupenství látky
  • pro kapaliny – hustota látky v objemu klesne na hustotu nasycených par – pokles – přechod – spojitý – povrch je uprostřed poklesu (viz. ks obr. 1.1)

zpravidla „poslední atomová rovina”. Narušení je ale dávno před tím.

dva pojmy

• povrch
• okraj – nevhodný překlad slova selvedge: liší se uspořádáním či složením

Geometrická struktura povrchu

Ideální povrch: dokonalá, bez příměsí (méně než 1 % ?) čisté – prakticky problém, monokrystalický

získání vhodného povrchu: potřeba dobře definovaný – musíme vědět co čekat.

vpravíme do UHV

• špinavý povrch – očistíme, tepelné čištění, iontový bombard (defekty po bombardu zlepšíme tepelným ohřátím – mřížka relaxuje, ale pak zase nečistoty z objemu)

• špinavý povrch vpravíme do UHV – odstraníme: lámání, štípáníčistý povrch vytvoříme, napařování, naprašován,

Reálný monokrystalický povrch: poloha roviny asymetrická, nečistoty i poruchy různé Defekty v uspořádání atomů – rekonstrukce (změna uspořádání) – relaxace (změna mezirovinných vzdáleností) Znaménko relaxace může být různé pro různé povrchy i pro různé roviny u jednoho povrchu.

Typy vazeb v pevných látkách:

• Van der Waalsovy – atomy se vážou jako celek – výměnné síly – přitažlivé působení časově proměnných dipólu atomů. Např. Ar, CO₂, krystalizace za nízkých teplot
• kovová – plyn e^-P mezi atomovými zbytky Wignerovy-Seitzovy buňky vyhlazeny na povrchu
  • krystalické struktury kovů

příklad znaménka relaxace -u Fe závisí na

• hrubosti (jak dobře řízneme podél roviny) povrchu. Vysoká čísla rovin – vysoká hrubost velké % relaxace
• vzdálenosti od povrchu (ks. obr. 1.3.)

rekonstrukce kovů nejsou tak časté, ale často vyvolané

Př. W c(2x2). Závisí i na tom, čím byla rekonstrukce indukována

• kovalentní vazba – vazby silné, společné orbity – směrované. Čistě kovalentní vazba je u látek pouze u látek z jednoho typu atomů – homeopolární látky. U různých prvků není vazba ryze kovalentní. Těžiště e^- se posunuje k prvku s větší elektronegativitě.

látky se čtyřmi vazbami mají př. diamantovou, sfaleritovou apod stavbu.

• inotová – když už je rozdíl elektronegativit velký (není přesně určeno – zvyk). Iontová vazba převládá nad kovalentní. e^- jsou vázány silně, látka izolant. Stejně atomů jednoho typu a druhého (jako NaCl). Na povrchu se atomy nemohou obklopovat atomy => snižování volné povrchové energie – fazety.
• molekulární – kvalitativní rozdíl – stavební prvky nyní celé molekuly Wan der Waalsovy síly okrajovými atomy, nebo elektricky – polární látky

Amorfní a polykrystalické látky – lokálně krystalické, popis je obdobný jako u krystalů, ale perioda struktury se zvolí obrovská

Elektronová struktura povrchu

Elektronová struktura v objemu (opakování)

Volný elektron – rovinná vlna. vlnový vektor reálný $ \psi = A e^{i \vec{k} \cdot \vec{r}} $, energie $ E = \frac{\hbar^2 k^2}{2m} $

Elektron v dokonalém nekonečném krystalu: Blochova vlna, téměř rovinná:

$ \psi = A u_k(\vec r)e^{i \vec k \cdot \vec r} $

u_k je periodické s mříží. Spektrum energií se rozpadá na pásy. V pásu je spojitá. Pokud k vyhovuje řešení tak i n2π + k je taky v pořádku

Elektron v dokonalém konečném krystalu (L_x, L_y, L_z): Blochové vlny platí. Ale ještě pořešit rozměry. Nejlepší cyklické okrajové podmínky. Energetické spektrum se rozpadne na diskrétní hladiny. Počet je roven počtu atomů tvořící krystal – slušné přiblížení: stále pásové kvazispojité. (viz. ks obr. 1.7.) Kroning-Penny – pravoúhlé bariery místo reálného homolovitého tvaru potenciálu. Řešení ks s. 13.

Pro tunelování e^- barierami mezi jednotlivými atomy je důležitá plocha bariéry (V₊ -E)b – míra vazby k jednotlivému atomu.