Model zalomení terasové římsy - Terrace ledge kink model - Wikipedia

v chemie, Model Terrace Ledge Kink (TLK), který se také označuje jako Model Terrace Step Kink (TSK), popisuje termodynamika z krystal tvorba a transformace povrchu, jakož i energetika tvorby povrchových defektů. Je založen na myšlence, že energie polohy atomu na povrchu krystalu je určena jeho vazbou na sousední atomy a že přechody jednoduše zahrnují počítání přerušených a vytvořených vazeb. Lze použít model TLK věda o povrchu témata jako růst krystalů, povrchová difúze, zdrsnění a vypařování.

Dějiny

Model TLK se připisuje tím, že pochází z článků publikovaných ve 20. letech dva němečtí chemici W. Kossel^[1] a I.N. Stranski^[2] přičemž byla diskutována termodynamická stabilita hran schodů.

Definice

Obrázek 1: Názvy různých atomových pozic v modelu TLK. Toto grafické znázornění je pro jednoduchou kubickou mřížku.

Obrázek 2: Obrázek rastrovacího tunelového mikroskopu s povrchem čistého křemíku (100), který zobrazuje hranu kroku a mnoho volných míst na povrchu. Mnoho okrajových míst je viditelných podél okraje terasy. Viditelné řádky jsou řádky dimeru v rekonstrukci 2x1.

Obrázek 3: Reprezentace kulového modelu skutečného (atomově drsného) povrchu krystalu s kroky, zlomy, adatomy a volnými místy v těsně zabaleném krystalickém materiálu. Jsou také ilustrovány adsorbované molekuly, substituční a intersticiální atomy.^[3]

V závislosti na poloze atomu na povrchu jej lze označit jedním z několika jmen. Obrázek 1 ilustruje názvy atomových pozic a bodových defektů na povrchu pro a jednoduchá kubická mříž.

Obrázek 2 ukazuje a skenovací tunelovací mikroskopie topografický obrázek hrany kroku, který zobrazuje mnoho funkcí v Obrázek 1.
Obrázek 3 ukazuje povrch krystalů s kroky, zlomy, adatomy a volnými místy v těsně zabaleném krystalickém materiálu^[3], který se podobá povrchu uvedenému na obrázku 2.

Termodynamika

Energie potřebná k odstranění atomu z povrchu závisí na počtu vazeb na jiné povrchové atomy, které musí být rozbity. Pro jednoduchou kubickou mřížku v tomto modelu je každý atom považován za krychli a vazba nastává na každé ploše, což dává koordinační číslo 6 nejbližších sousedů. Druhými nejbližšími sousedy v tomto kubickém modelu jsou ti, kteří sdílejí hranu, a třetími nejbližšími sousedy jsou ti, kteří sdílejí rohy. Počet sousedů, druhých nejbližších sousedů a třetích nejbližších sousedů pro každou z různých pozic atomů je uveden v stůl 1.^[4]

Většina krystalů však není uspořádána v jednoduché kubické mřížce. Stejné myšlenky platí i pro jiné typy svazů, kde koordinační číslo není šest, ale není snadné je teoreticky vizualizovat a pracovat s nimi, takže zbytek diskuse se zaměří na jednoduché kubické svazy. Tabulka 2 označuje počet sousedních atomů pro hromadný atom v některých jiných krystalových mřížkách.^[4]

Místo zvratu má při hodnocení termodynamika různých jevů. Toto místo se také označuje jako „polokrystalová poloha“ a energie se hodnotí vzhledem k této poloze pro procesy, jako je adsorpce, povrchová difúze a sublimace.^[5] Termín „polokrystal“ pochází ze skutečnosti, že kink místo má poloviční počet sousedních atomů jako atom v objemu krystalu, bez ohledu na typ krystalové mřížky.^[4]

Například energie formace pro adatom - bez ohledu na relaxaci krystalů - se vypočítá odečtením energie adatomu od energie atomu kink.

${ displaystyle Delta G = epsilon _ {kink} - epsilon _ {adatom} qquad (1)}$

To lze chápat jako rozbití všech vazeb zalomeného atomu, aby se atom odstranil z povrchu a poté se reformovaly interakce adatomu. To je ekvivalent k zalomení atomu, který difunduje od zbytku kroku, aby se stal krokovým adatomem, a poté difunduje pryč od sousedního kroku na terasu, aby se stal adatomem. V případě, že jsou ignorovány všechny interakce kromě těch s nejbližšími sousedy, bude energie formace pro adatom následující, kde ${ displaystyle phi}$ je energie vazby v krystalu dána Rovnice 2.

${ displaystyle Delta G = epsilon _ {kink} - epsilon _ {adatom} = 3 phi - phi = 2 phi qquad (2)}$

To lze rozšířit na různé situace, například na vytvoření dvojice volných ploch adatom-povrch na terase, což by zahrnovalo odstranění povrchového atomu z krystalu a jeho umístění jako adatomu na terase. To je popsáno v Rovnice 3.

${ displaystyle Delta G = epsilon _ {surfaceatom} - epsilon _ {adatom} qquad (3)}$[4]

Energie sublimace by byla jednoduše energie potřebná k odstranění atomu z místa zalomení. Lze si to představit tak, že povrch je rozebrán po jedné terase najednou odstraněním atomů z okraje každého kroku, což je poloha zalomení. Bylo prokázáno, že použití externího elektrické pole způsobí vznik dalších zauzlení na povrchu, což pak vede k rychlejší rychlosti odpařování z povrchu.^[6]

Teplotní závislost pokrytí vad

Počet adatomů přítomných na povrchu závisí na teplotě. Vztah mezi koncentrací povrchového adatomu a teplotou při rovnováha je popsána rovnicí 4, kde n₀ je celkový počet povrchových stránek na jednotku plochy:

${ displaystyle n_ {adatom} = n_ {0} e ^ { frac {- Delta G_ {adatom}} {k_ {B} T}} qquad (4)}$[4]

To lze rozšířit a najít rovnovážnou koncentraci i jiných typů defektů povrchových bodů. K tomu je energie dané poruchy jednoduše nahrazena do výše uvedené rovnice v místě energie tvorby adatomu.

Reference