Vorlesung Nanostrukturphysik II

Transkript

1 Vorlesung Nanostrukturphysik II Nanostrukturierte Materie Sommersemester 2015 Prof. Dr. U. Hartmann

2 5. Oberflächenrekonstruktion Seite 2

3 Seite Gitter Bravais-Gitter (2D)

4 Allgemeines: Warum bilden sich an Oberflächen Rekonstruktionen aus? # Halbleiter # Metalle # Oxidische Materialien Thermodynamische Betrachtung Seite 4

5 Halbleiter: Minimierung der abgeschnittenen Bildungen ( dangling bonds ) Beispiel Si(100) Diamantgitter: Aufschneiden entlang der (100)-Ebene: Aufbrechen von jeweils 2 Si-Bindungen Paare von jeweils benachbarten Si-Atomen bilden Dimere, eine freie Bindung verbleibt. Resultat: Gitter verzerrt sich so, dass ein Atom im Dimer höher bzw. tiefer steht ( buckled dimer ) -> bei Raumtemperatur wechseln die Positionen so oft, dass STM-Abbildung symmetrisch erscheint. Si(111): stabile Oberfläche mit komplexer Rekonstruktion (7 x 7) -> zur Aufklärung dieser Struktur wurde das erste STM eingesetzt! Seite 5

6 2 x 1 Rekonstruktion von Ge(111) und Si(111) nach Herstellung einer (111)-Fläche durch Spaltung Ge und Si kristallisieren im Diamantgitter Seite 6

7 Atomare Oberflächenrekonstruktion: Si (111) : Modell, Messungen von G.Binnig Seite 7

8 Atomare Oberflächenrekonstruktion: Si (111)-7 7 Seite 8

9 Metalle: Rekonstruktionen weniger häufig als bei Halbleitern Ausnahme: Edelmetalle mit kfz-gitter (Ir, Pt, Au 6.Periode) Beispiel: (100)-Oberfläche bildet hexagonal dichteste Packung aus (110)-Oberflächen missing row reconstruction (jede zweite Atomreihe fehlt hier (111)-Oberfläche (Au): Fischgräten-Rekonstruktion, engl. herringbone reconstruction ) Seite 9

10 100-Oberfläche von Gold (STM) Seite 10

11 111-Oberfläche von Gold (STM) Herringbone reconstruction Seite 11

12 Seite 12

13 Nichtleiter (speziell Ionenkristalle und die meisten Oxide): Rekonstruktionen erzwungen durch Ladungskompensation -> Oberflächen makroskopischer Objekte müssen elektrisch weitgehend neutral sein Beispiel: (111)-Oberfläche des NaCl-Kristalls polare Oberfläche, entweder komplett positiv oder komplett negativ -> extrem hohes elektrisches Feld. Vermeidung durch Rekonstruktion mit fehlenden Atomen Seite 13

14 FeO-Film auf Pt(111) Seite 14

15 STM-Aufnahmen Magische Dreiecke von Zn-O-Oberflächen Seite 15

16 TiO 2 (110) Seite 16

17 Wie werden die Rekonstruktionen benannt? Netze statt Gitter Elementarzelle = Einheitsmasche In zwei Dimensionen gibt es 5 Bravais-Netze, 10 Punktgruppen, 17 Raumgruppen Referenz ist das Netz des ungestörten Kristalls Bezeichnung der Maschen: (b 1 /a 1 b 2 /a 2 ) R α mit R = Rotation des Vergleichsnetzes (weglassen, wenn α = 0) ausserdem: p = primitive Anordnung und c = zentrierte Anordnung Seite 17

18 Nomenklatur von Oberflächennetzen p(1 1), p( 2 2)R45 und c(2 2) Seite 18

19 Gitterfehlanpassungen Freies Adsorbat Adsorbat auf Substrat Diskommensurables Adsorbat mit Domänen Inkommensurables Adsorbat Seite 19

20 Adsorbat-bedeckte Oberflächen # Kommensurable Rekonstruktion Vermeidung von freien Bindungen durch das Adsorbat Beispiel: Si(111) mit 1/3 ML Ga vollständig (y3 x y3)r30 rekonstruiert # Diskomensurable Rekonstruktion Beispiel: Si(111) mit Ga-Lage > 1/3: Ga substituiert in die Oberfläche # Inkomensurable Rekonstruktion Beispiel: Pb auf Ge(111) mit Bedeckung > 1/3 ML Seite 20

21 Diskomensurable Rekonstruktion für Ge(111) mit 0,8 ML Ga Nichtperiodische Struktur Diskomensurationen mit hoher Auflösung Seite 21

22 Inkomensurable Streifenphase von Pb mit 1,4 ML Seite 22

23 Inkomensurable hexagonale Phase von Pb auf Ge(111), Stabilisiert durch Defekte Seite 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.