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Fisica de superficies
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Miguel Moita
TEF
Abordagens mais comuns à sua fabricação
• Manipulação atómica – Construir a estrutura átomo a átomo
• Auto organização – Formação espontânea de estruturas
criando as condições apropriadas
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3
Estruturas com dimensões tipicamente de 1 a 10nm
Estrutura 3D - Bulk
Estrutura 2D – Quantum films
Estrutura 1D – Quantum wires
Estrutura 0D – Quantum dot
• Quantum Size Effects - Os electrões estão confinados a regiões limitadas no
espaço
• Surface-Dominated Effects - Grande fracção de átomos de superfície
provoca alterações nas propriedades físicas, ex: a temperatura de fusão
baixar.
𝑬𝒏 =ħ𝟐𝒌𝟐
𝟐𝒎=ħ𝟐
𝟐𝒎𝒌𝒙𝟐 + 𝒌𝒚
𝟐 + 𝒌𝒚𝟐
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Efeitos Quânticos
Partindo da solução da equação de Schrödinger para o caso de um electrão
confinado num cubo de dimensão L, a função de onda será
𝜓𝑛(𝑟) = 𝑒𝑖𝑘 ∙ 𝑟 𝑘𝑥 = 𝑘𝑦 = 𝑘𝑧 =
2𝜋𝑛
𝐿 𝑛 − 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑖𝑟𝑜
A energia é dada por
𝑘 =2𝑚 1 2
ħ
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Densidade de estados paro o caso a 3D
2𝜋 𝐿 3 Menor elemento de volume :
Volume de uma camada esférica de raio k e largura dk: 4𝜋𝑘2 𝑑𝑘
𝑑𝑁 = 24𝜋𝑘2𝑑𝑘
2𝜋 𝐿 3 =𝑘2𝐿3 𝑑𝑘
𝜋2 Numero de estados:
Densidade de estado por unidade de volume a uma energia E:
𝐷3𝐷 𝐸 =𝑑𝑁
𝐿3𝑑𝐸=1
2𝜋22𝑚∗
ħ2
3 2
𝐸1 2
𝑫𝟑𝑫 𝑬 ∝ 𝑬𝟏 𝟐
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Densidade de estados paro o caso a 2D
2𝜋 𝐿 2 Menor elemento de área:
Área da coroa de raio k e largura dk: 2𝜋𝑘𝑑𝑘
𝑑𝑁 = 24𝜋𝑘 𝑑𝑘
2𝜋 𝐿 2 =𝑘𝐿2𝑑𝑘
𝜋 Numero de estados:
Densidade de estado por unidade de área a uma energia 𝐸𝑛 :
𝐷2𝐷 𝐸 =𝑚∗
𝜋ħ2 𝐻(𝐸 − 𝐸𝑛)
𝑛
𝑫𝟐𝑫 𝑬 ∝ 𝑯(𝑬 − 𝑬𝒏)
𝒏
Função escada
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Densidade de estados paro o caso a 1D
2𝜋 𝐿 Menor elemento de comprimento:
Comprimento do segmento de recta dk: 𝑑𝑘
𝑑𝑁 = 2𝑑𝑘
(2𝜋 𝐿) =𝐿𝑑𝑘
𝜋 Numero de estados:
Densidade de estado por unidade de comprimento a uma energia 𝐸𝑛 :
𝐷1𝐷 𝐸 =2𝑚∗ 1 2
𝜋ħ2 𝐻 𝐸 − 𝐸𝑛 𝑔𝑛
𝐸 − 𝐸𝑛1 2
𝑛
Função escada com factor de
degenerescência 𝒈𝒏 associado
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Densidade de estados paro o caso a 0D
• Confinados nas 3 dimensões
• Energias discretas
• Átomo artificial
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• Deslocamento lateral do átomo ao longo da superfície
• Extracção atómica
• Deposição atómica
Principais Técnicas:
• Atom Sliding
• Field-assisted Diffusion
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Superfície
tip • A tip aproxima-se de um átomo da superfície
• A força de interacção atractiva de vander walls
actua entre os dois
• Resulta num mínimo de potencial
• Prende o átomo podendo-se assim desloca-lo
Principio de funcionamento:
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Exemplos:
Átomos de Xe arranjados numa
superfície de Ni (110); altura
1,6Å e tamanho das letras de
50Å Rearranjo de 48 átomos de Fe
numa superfície de Cu(111)
formando um “quantum corral”
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+ + + +
+
Superfície
- + - +
Principio de funcionamento
• Gera-se um campo eléctrico entre a tip
e a amostra, que não é uniforme e é
concentrado debaixo da tip
• O átomo irá sentir um gradiente de
potencial, i.e. uma força e será atraído
para debaixo da tip
• A direcção muda, mudando a polaridade
da tip
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Field-assisted diffusion de Ín de Si(111)
Exemplos:
2 fases:
• 3 × 3 - In com 0,33ML
Menos densa - Zonas escuras
• 2 × 2 - In com 0,75ML
Mais densa - Zona clara
Principais Técnicas:
• Interacção interatómica
• Field evaporation
• Electron stimulated desorption
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16
Para átomos fracamente ligados quando se
aproxima a tip da superfície existe uma
probabilidade finita de o átomo se agarrar
ao poço de potencial de tip
Exemplos:
Extracção de átomos de Xe de superfícies de Pt(111) ou Ni(110)
- - - -
-
+ +
+
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Extracção de um átomo de Si numa
superfície Si(111) 7x7 Tip em W; 𝑉𝑡 = +2𝑉; Tempo = 10𝑚𝑠
• Os átomos na superfície tornam-se
ionizados num forte campo eléctrico
• Evaporam-se como um ião
• Ocorre para ambas as polaridades
Exemplos:
Principio de funcionamento:
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• Tip é polarizada negativamente,
• Um fluxo de electrões fluirá através da gap em direcção à tip
• Devido à pequena secção eficaz atinge-se densidades de corrente
bastante elevadas
• Este efeito poderá provocar a remoção de um átomo
Exemplos:
Átomos de hidrogénio extraídos de
uma superfície de Si(100) 2x1 - H,
formando-se uma estrutura “dangling-
bond”
Parâmetros:
𝑉𝑡 = −2,9𝑉; 𝐼𝑡𝑢𝑛𝑒𝑙 = 0,4𝑛𝐴; T𝑒𝑚𝑝𝑜 = 100 − 200𝑚𝑠
Principio de funcionamento:
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Quando um átomo é extraído ele poderá ser de novo depositado
Átomo de Si extraído e depositado num
local diferente numa superfície Si(111)7x7
usando-se uma tip em W
Desvantagens
• Não se sabe onde se encontra o átomo na superfície da tip
• O sitio da reposição do átomo é difícil de controlar com precisão
• A probabilidade neste caso da reposição era de apenas 20% aplicando
𝑉𝑡 = +6𝑉
Solução
• Deposição de aglomerados em vez de um simples átomo, criando-se assim
um nano-sized hillock
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Método z-pulse
Método voltage pulse
• A tip é um z-piezo drive
• É baixada até ao contacto directo
com a amostra
• Deixa um nano-sized hillock feito do
material da tip na superfície da
amostra
• Aplica-se um pulso de tensão entre a tip e a amostra
• Hillocks idênticas ao método z-pulse
• Tempo de contacto limitado
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Criar as condições apropriadas e deixar que “a natureza aconteça”
• Produz diversas formas: huts (cabanas), pirâmides, domes (cúpulas) e
superdomes.
• A forma, tamanho e a quantidade dependem das condições de deposição
Crescimento de Ge numa superfície de Si(100)
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Interacção de hidrogénio em superfícies silício dopadas com metais
a - Antes da reacção
b - Depois da reacção
Aglomerado de Al formados
com a interacção de H numa
superfície Si(100)c(4x12)-Al
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Aglomerados de estruturas periódicas (superlattice) numa
superfície Si(111)7x7
Superfície cristalina estável com uma larga célula unitária
Usada como padrão para a nano fabricação
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Formação de aglomerados mágicos
(magic cluster) de Al, numa superfície de
Si(111)7x7, depositando ~0,35𝑀𝐿 de Al
a 575℃.
6 átomos de Al ligados a por 3 átomos
de Si
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Desfasamento entre a superfície e o substrato provoca um crescimento
anisotrópico, sendo ilimitado numa direcção mas restrito na outra
Nanowires de compostos de silício em superfícies de Si(100)
Nano tubos de ErSi2 numa superfície de
Si(100)
Imagem STM 1000 × 800𝑛𝑚2
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Forma alotrópica do Carbono
O representante mais conhecido e
estável é o C60: 20 hexágonos e 12
pentágonos
C60
Além do C60 outras formas de fulereno
são também encontradas: C70, C76, C84,
etc.
C70
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K3C60
SP - 18K
O fulereno é isolante (band gap 2,3eV).
Junção de átomos alcalinos, provoca
comportamentos metálicos e
supercondutores nalguns casos.
Fulerenos dopados com alcalinos
N@C60 Ce2@C80
Incorporação de átomos no interior do
fulereno.
Os mais conhecidos são
metalofulerenos.
Endohedral fullerenes
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Os fulerenos poderão ser também adsorvidos numa superfície,
podendo-se criar varias camadas dos mesmos.
A ordem geralmente e hexagonal
Aglomerado de La@C82
numa superfície Si(111)
3 × 3 − Ag
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Alótropos do carbono com nano estrutura cilíndrica
Single Wall nanotubes (SWNT) Multiwall nanotube (MWNT)
Φ ~ 1-2nm Φ ~ 2-25nm
Espaçamento~0,34-0,39 nm
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Caracterizam-se pelos parâmetros inteiros (m,n), que representam os
vectores ao longo das duas direcções da rede e definem a forma como a
folha de grafeno fica envolvida.
• Zigzag: m=0
• Armchair: m=n
• Quirais: restantes
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𝑑 =𝐿
𝜋=𝑎 𝑚2 + 𝑛2 +𝑚𝑛
2𝑚 + 𝑛
Diâmetro
Através dos parâmetros poderemos obter:
Condutividade
Os nano tubos poderão ser condutores ou semicondutores dependendo do seu
diâmetro e helicidade, regra geral:
𝑖 =𝑚 − 𝑛
3
Se 𝑖 for inteiro são condutores
Se 𝑖 for fraccionário é semicondutor
𝛼 = tan−1𝑎 3𝑛
2𝑚 + 𝑛
Ângulo quiral
0° ≤ 𝛼 ≤ 30°
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A densidade de estados vai apresentar uma série de picos, típicos
de uma estrutura a 1D
Comparação da densidade de estados
obtida experimentalmente e calculados
para um (13,7) SWNT
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