Kübik Kristaller
Kübik Kristaller
Kübik iyonik malzemeler, genellikle inert olan ideal toplu sonlandırılmış yüzeylere sahip yapısal olarak en basit yalıtım malzemelerini sunar. UHV’de bölünme yoluyla büyük atomik olarak düz teraslara sahip temiz yüzeylerin hazırlanmasının oldukça basit olduğu alkali halojenürlerde elde edilen bir yalıtkan yüzeyin ilk atomik olarak çözülmüş görüntüleri.
Farklı yüzeylerde görülen kontrast desen türlerini gösterir ve tahmin edilebileceği gibi oldukça benzerdir. Görüntülerdeki parlak noktaların ayrılması, iyonik kafesteki benzer yüklerin toplu kafes konumlarına karşılık gelir.
Deneysel verilerin yerel doğasını vurgulayan ve gerçek atomik çözünürlüğe ulaşıldığına dair daha fazla kanıt sağlayan nokta kusurları NaCl’de de görülebilir. Ancak, bu deneysel başarının ötesinde, görüntülerden çok az başka bilgi çıkarılabilir.
Yapının basitliği ve uçtaki bilgi eksikliği, hangi türün, anyonun veya katyonun parlak olarak görüntülendiğinin veya aslında arayer bölgelerinin parlak görünüp görünmediğinin belirlenmesinin imkansız olduğu anlamına gelir.
SFM’nin bu genel sorunu önemini korumaktadır ve yalnızca birkaç durumda çözülmüştür. Muhtemel çözümler, her bir alt örgü için kontrast modellerinin farklı olduğu daha karmaşık yalıtkan yüzeylerin görüntülenmesini veya belirli atomik bölgeler üzerinde düşük sıcaklıklı kuvvet eğrilerinin kullanılmasını içerir.
Bu yöntemler hem deneysel hem de teorik olarak son derece kaynak yoğundur ve yorumlamaya yönelik daha basit, daha genel yaklaşımlar aranmaktadır.
Deneysel olarak, alkali halojenürlerin görüntülenmesinden daha zengin uygulama alanı olan oksit yüzeylerine geçmek doğal görünmektedir. Kübik kristaller için, MgO bariz bir örnektir ve kusurlar da dahil olmak üzere teorik simülasyonlar, halojenür yüzeylerdeki ilk başarıdan hemen sonra gerçekleştirildi.
Bununla birlikte, MgO yüzeyindeki başarılı atomik çözünürlük, birkaç SFM grubunun dikkatine rağmen yarım on yıl beklemek zorunda kaldı. Alkali halojenürlerin aksine, MgO’nun parçalanması genellikle nano molozla kaplı bir yüzey ve lokalize yüklü kusurlarla sonuçlanarak uç dengesizliklerini ve çarpışmaları çok daha olası hale getirir.
Atomik çözünürlük nihayet, oda sıcaklığında UHV bölünmesi, 620 K’de tavlama ve uygulamalı öngerilim yoluyla elektrostatik kuvvetlerin en aza indirilmesinin dikkatli bir kombinasyonu kullanılarak elde edildi, ancak dahil olan deneycilerin önemli becerileri elbette ihmal edilmemelidir.
Gösterilen sonuçtaki görüntü, bir uç değişikliği kanıtı dışında olanlara çok benzer. Alümina (Al2O3) yüzeyi ile birlikte, MgO yüzeyinde atomik çözünürlüğün elde edilmesi, belki de toplu yalıtım yüzeylerinin görüntülenmesindeki son zorluklardan biriydi.
Görüntüleme için iyi bir yalıtkan numune hazırlamanın zorluklarını aşmanın bir yöntemi, iletken bir substrat üzerinde ince bir film büyütmektir. Bu, şarj sorununu ortadan kaldırır ve genellikle daha sonra STM veya SFM aracılığıyla görüntülenebilen geniş düz terasların hazırlanmasına izin verir. SFM’de bu, Cu üzerindeki NaCl ince filmleri için en başarılı şekilde gösterildi.
Hacim merkezli kübik yapı
Yüzey merkezli kübik yapı
Basit kübik yapı
Yüzey merkezli kübik kristal yapı
Kübik kristal yapı
İç merkezli kübik yapı
Yüzey merkezli kübik yapı atom sayısı
Hacim merkezli kübik yapı örnekleri
NaCl terasındaki basamaklar ve kıvrımlar boyunca atomik çözünürlükle Noel Ağacı görüntüsünü gösterir. Teras yine karakteristik kübik kristal kontrast desenini gösteriyor, ancak basamaklarda ve özellikle kıvrımlı bölgelerde parlaklıkta net bir artış var.
Simülasyonlar, bunun, hem yerel elektrostatik potansiyel gradyanını hem de yerel atomik yer değiştirmeleri artıran, bu iyonların azaltılmış koordinasyonunun bir özelliği olduğunu gösterdi. Düşük sıcaklıklı SFM tarafından sunulan gelişmiş hassasiyet, aynı zamanda, değişim kuvvetini doğrudan ölçmek, yani farklı yerel atomik dönüşlerin uç yüzeyi toplam kuvvetine farklı katkılarını ölçmek için bir çabayı da motive etmiştir.
Basit kübik kristal NiO, antiferromanyetik olduğundan ve (001) yüzeyi hem spin-up hem de spin-down Ni iyonları sunduğundan, bu tür deneyler için en basit olasılığı sunar. Pratik olarak bu, demir gibi spin polarize bir ucun hazırlanmasını ve ardından zıt spinli Ni iyonları üzerindeki kuvvet farkını tespit etmeye çalışmayı içerir.
Ciddi bir deneysel çabaya rağmen, uçtaki dönüşün kontrolü zor bir problem olarak kaldığından, bu henüz başarılamadı. Bununla birlikte, çabalar, yüzeyin çok çeşitli deneysel görüntülerini ve hatta kuvvetin tam bir 3B haritasını sağladı.
Yüzeydeki bir basamağın ve kusurun yüksek kaliteli görüntüsünü gösterir. Önceki kübik kristallere gelince, bir demir ucun oksijeni parlak olarak çözmesi beklense de, yorum yapmak zor olmaya devam ediyor. Her zaman olduğu gibi, temiz bir ütü ucuna sahip olduğunuzdan emin olmak zordur.
Kuvvetler Teorisi
Burada, SPM çalışmalarında önemli olan kuvvetlerin teorik arka planını tanıtıyoruz ve belirli kuvvetlerin hakim olacağı belirli sistemleri ve ortamları vurgulamaya çalışıyoruz. Burada, dikkate aldığımız etkileşim türleri için bir sınır olarak sunulan standart kurulumları kullanıyoruz. Bu nedenle, örneğin, sıvılarda görüntüleme yaparken önemli olan kuvvetleri tartışmıyoruz.
Kuvvetlerin kategorilere ayrılması bir dereceye kadar keyfi olacaktır, tüm kuvvetler atomik ve elektronik etkileşimlerden kaynaklanır. Bununla birlikte, kuvvetleri anlamlı oldukları uzunluk ölçeklerine göre bölmek genellikle uygundur: (i) makroskopik kuvvetler, en az birkaç nanometrelik bir aralığa sahip olan ancak genellikle kimyasal olarak bağımsız olanlardır, (ii) mikroskobik kuvvetler yalnızca 1 nm’den daha düşük aralıklarda önemlidir, ancak uç altındaki atomun kimyasal kimliğine çok daha duyarlıdırlar.
Van der Waals Kuvveti
Van der Waals (vdW) kuvveti, uç ve yüzey atomlarındaki dalgalanan dipollerin elektromanyetik etkileşimini temsil eder. Atom düzeyinde, örneğin nadir gaz kristallerinde bağlanmadan sorumlu olan en zayıf etkileşimlerden biridir.
Üç ana bileşeni vardır:
• Nötr atomlar için elektron yük yoğunluğundaki dalgalanmalar nedeniyle anında dipoller oluşur ve bunlar diğer atomlarda dipol oluşumuna neden olur. Bu anlık dipoller arasındaki etkileşime dağılma kuvveti denir ve en önemli bileşendir.
• Polar moleküllerde, kalıcı dipoller diğer atomlarda dipolleri indükleyebilir ve bunların etkileşimine indüksiyon kuvveti denir.
• Polar moleküllerdeki kalıcı dipoller arasındaki etkileşim, yönelimleri tarafından belirlenir ve yönelim kuvveti olarak adlandırılır.
Bu kuvvet neredeyse her zaman çekicidir ve bu nedenle makroskobik ucun bireysel atomları ile numune arasındaki küçük etkileşimler, birkaç nanonewton (nN) mertebesinde ortaya çıkan bir kuvvete dönüşür.
Bu kuvvet, makroskobik standartlara göre küçük olmasına rağmen, aşağıda tartışılan kimyasal kuvvetleri aşar ve çoğu durumda uç-yüzey etkileşimine hakim olur. vdW etkileşimi, kimyasal kuvvetlere kıyasla atomik türlerin bir fonksiyonu olarak çok fazla değişmez ve bu nedenle uzun menzilli makroskopik bir kuvvet olarak hareket eder.
Tam uç milyarlarca atom içerir ve tüm etkileşimleri toplamak imkansızdır, ancak uzun menzilli yapıları, tüm kuvveti dahil etmenin önemli olduğu anlamına gelir ve bu nedenle, malzemenin ve yapısına dayalı olarak bir yaklaşım yapılmalıdır. uç. R mesafesiyle ayrılan iki atom arasındaki potansiyel V(r)’nin bilindiğini varsayarsak, aralarındaki kuvvet bu potansiyelin gradyanı ile tanımlanır.
Basit kübik yapı Hacim merkezli kübik yapı Hacim merkezli kübik yapı örnekleri İç merkezli kübik yapı Kübik kristal yapı Yüzey merkezli kübik kristal yapı Yüzey merkezli kübik yapı Yüzey merkezli kübik yapı atom sayısı