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)