Adátomo

Un adátomo es un átomo que se encuentra sobre la superficie de un cristal y puede considerarse como lo opuesto a una vacante superficial . Este término se utiliza en química de superficies y epitaxia para describir átomos individuales sobre superficies y la rugosidad superficial . La palabra es una combinación de " átomo adsorbido ". Un átomo individual, un grupo de átomos o una molécula o grupo de moléculas pueden denominarse con el término general " partícula adsorbida ". Este suele ser un estado termodinámicamente desfavorable. Sin embargo, casos como el del grafeno pueden proporcionar contraejemplos. ^{[ 1 ]}

«Adatomo» es una palabra compuesta , abreviatura de átomo adsorbido . Cuando un átomo llega a la superficie de un cristal, es adsorbido por el potencial periódico del cristal, convirtiéndose así en un adatomo. Los mínimos de este potencial forman una red de sitios de adsorción en la superficie. Existen diferentes tipos de sitios de adsorción. Cada uno de estos sitios corresponde a una estructura diferente de la superficie. Hay cinco tipos diferentes de sitios de adsorción: en una terraza, donde el sitio de adsorción se encuentra sobre la capa superficial en crecimiento; en el borde del escalón, junto a la capa en crecimiento; en la curva de una capa en crecimiento; en el borde del escalón de una capa en crecimiento, y en la capa superficial, donde el sitio de adsorción se encuentra dentro de la capa inferior. ^{[ 2 ]}

De entre estos tipos de sitios de adsorción, los sitios de torsión desempeñan el papel más importante en el crecimiento del cristal . La densidad de torsión es un factor clave en la cinética de crecimiento. La unión de un átomo al sitio de torsión, o su eliminación, no altera la energía superficial libre del cristal, ya que el número de enlaces rotos permanece constante. Esto implica que el potencial químico de un átomo en el sitio de torsión es igual al del cristal, lo que significa que el sitio de torsión es el único tipo de sitio de adsorción donde un adátomo se integra al cristal. ^{[ 2 ]}

Si se utiliza cristalografía , o si las temperaturas de crecimiento son más altas, lo que produciría un efecto entrópico , la superficie del cristal se vuelve rugosa, causando un mayor número de irregularidades. Esto significa que los adátomos tienen mayor probabilidad de llegar a un punto de irregularidad y formar parte del cristal. Este es el mecanismo normal de crecimiento. ^{[ 2 ]}

Lo contrario, es decir, con una temperatura de crecimiento más baja, daría una superficie lisa, lo que significa que hay un mayor número de sitios de adsorción en terrazas. Todavía hay sitios de torsión, pero estos solo se encuentran en los bordes de los escalones. El cristal solo crece a través del "movimiento lateral de los escalones". ^{[ 2 ]} Este tipo de crecimiento se llama mecanismo de crecimiento en capas. Cómo crecen los adátomos en la superficie depende de qué interacción es la más fuerte o de cómo se ve la superficie. ^{[ 2 ]} Si la interacción adátomo-adátomo es la más fuerte, es más probable que los adátomos creen pirámides de adátomos en la superficie. Si la interacción adátomo-superficie es la más fuerte, es más probable que los adátomos se organicen de tal manera que creen capas en la superficie. Pero también depende del origen de los escalones en la superficie. ^{[ 3 ]} En total hay cinco tipos diferentes de crecimiento en capas: crecimiento normal, crecimiento por flujo de escalones, crecimiento capa por capa, crecimiento multicapa (o isla tridimensional) y crecimiento en espiral. ^{[ 2 ]}

El crecimiento por flujo de escalones se observa en superficies escalonadas. Estas superficies tienen una geometría con escalones vicinales separados por "terrazas de bajo índice atómicamente planas". ^{[ 2 ]} Cuando los adátomos se adhieren a los bordes de los escalones, se mueven a lo largo de la superficie hasta encontrar un punto de inflexión donde unirse e incorporarse al cristal. Sin embargo, si la densidad de puntos de inflexión no es lo suficientemente alta, y por lo tanto no todos los adátomos llegan a uno de ellos, se crean escalones adicionales en las terrazas, como si hubiera una superficie plana con pequeñas islas bidimensionales, lo que da lugar a un modo de crecimiento mixto, que a su vez produce un cambio en el tipo de crecimiento de capas, pasando del crecimiento por flujo de escalones al crecimiento capa por capa. ^{[ 2 ]}

En el crecimiento capa por capa, la interacción entre el adátomo y la superficie es la más fuerte. ^{[ 3 ]} Se crea una nueva capa a través de islas bidimensionales, que se forman en la superficie. Las islas crecen hasta extenderse por toda la superficie, y entonces comienza a crecer la siguiente capa. Este crecimiento se denomina crecimiento de Frank-Van der Merwe . ^{[ 2 ]}

En algunos casos, el ciclo de formación de nuevas capas en el crecimiento capa a capa se interrumpe por restricciones cinéticas. En estos casos, el crecimiento en las capas superiores comienza antes de que las inferiores se hayan completado, lo que da lugar a la creación de islas tridimensionales. Se inicia un nuevo tipo de crecimiento, denominado crecimiento multicapa, en lugar del crecimiento capa a capa. El crecimiento multicapa se puede dividir en crecimiento de Volmer-Weber y crecimiento de Stranski-Krastanov . ^{[ 2 ]}

Si la superficie del cristal contiene una dislocación helicoidal , puede producirse un tipo diferente de crecimiento, denominado crecimiento espiral. Alrededor de la dislocación helicoidal, se observa una forma espiral durante el crecimiento. Dado que la dislocación helicoidal provoca una espiral de crecimiento que no desaparece, es posible que no se necesiten islas para que se produzca el crecimiento del cristal. ^{[ 2 ]}

Los adátomos se unen a la superficie mediante epitaxia. En este proceso, se crean nuevas capas de un cristal mediante la unión de nuevos átomos. Esto puede ocurrir mediante una reacción química, calentando una nueva película o centrifugándola. Generalmente, las partículas que se utilizan para formar una nueva capa no siempre se adsorben. Para crear enlaces con la superficie, se necesita energía, y no todas las partículas poseen la cantidad necesaria para unirse a esa parte de la superficie (se requieren diferentes energías para diferentes partes). Si se tiene un flujo F de partículas entrantes, una parte de este será adsorbida, dada por el flujo de adsorción ^{[ 2 ].}

${\displaystyle J_{ads}=sF}$

donde s es el coeficiente de adherencia . Esta variable no solo depende de la superficie y de la energía del átomo incidente, sino también de la naturaleza química tanto de la partícula como de la superficie. Si tanto la partícula como la superficie están hechas de una sustancia que reacciona fácilmente con otras partículas, es más fácil que los átomos se adhieran a la superficie. ^{[ 2 ]}

Al observar la termodinámica en la superficie de la película, se aprecia que se rompen enlaces, liberando energía, y se forman enlaces, confinando energía. La termodinámica involucrada fue modelada por Walther Kossel e Ivan Stranski en 1920. Este modelo se denomina modelo de escalón de terraza con torsión (TLK). ^{[ 4 ] [ 5 ]}

El adátomo puede crear más de un enlace con el cristal, dependiendo de la estructura de este. Si se trata de una red cúbica simple , el adátomo puede tener hasta 6 enlaces, mientras que en una red cúbica centrada en las caras , puede tener hasta 12 vecinos más cercanos. Cuantos más enlaces se creen, mayor será la energía confinada, lo que dificulta la desorción del adátomo. ^{[ 6 ]}

Un sitio especial para un adátomo es una torsión, donde se puede crear exactamente la mitad de los enlaces con la superficie, también llamada "posición de medio cristal". ^{[ 7 ]}

Los adátomos, al tener menos enlaces que los demás átomos del cristal, poseen electrones libres . Estos electrones tienen espín y, por lo tanto, un momento magnético . Este momento magnético no tiene preferencia de orientación hasta que interviene una influencia externa, como un campo magnético . La estructura de los adátomos en una superficie puede ajustarse modificando el campo magnético externo. Mediante este método, se pueden simular situaciones teóricas, como la cadena atómica. Debido a la pequeña escala, es necesario tener en cuenta la mecánica cuántica al utilizar adátomos. ^{[ 8 ]}

El campo magnético creado por un átomo se debe principalmente a la órbita y el espín de los electrones. El momento magnético del protón y del neutrón es insignificante en comparación con el del electrón debido a sus mayores masas. Cuando un átomo con electrones libres se encuentra dentro de un campo magnético externo, su momento magnético se alinea con dicho campo, ya que esto reduce su energía. Por esta razón, los electrones ligados no presentan este momento magnético: ya poseen un estado energético favorable y no les conviene modificarlo. La magnetización de un átomo (alineado magnéticamente) viene dada por:

${\displaystyle M={\frac {Ng_{j}^{2}\mu _{\mathrm {B} }^{2}B}{3k_{\mathrm {B} }T}}j(j+1)}$

Donde N es el número de electrones, g _j es el factor g, μ _B es el magnetón de Bohr , k _B es la constante de Boltzmann , T es la temperatura y j es el número cuántico de momento angular total . Esta fórmula se cumple bajo la suposición de que la energía magnética de un electrón viene dada por${\displaystyle E=m_{j}g_{j}\mu _{\mathrm {B} }B}$y no hay interacción de intercambio .

El movimiento de adátomos a través de una superficie puede describirse mediante el modelo de Burton-Cabrera-Frank (CBF) de Keith Burton , Nicolás Cabrera y Charles Frank . El modelo trata a los adátomos como un gas 2D sobre la superficie. Los adátomos se difunden con una constante de difusión D ; se desorben de nuevo al medio superior con una tasa de${\displaystyle 1/\tau _{\mathrm {des} }}$por átomo y adsorbido con flujo F . ^{[ 2 ]}

La constante de difusión, cuando la concentración de partículas es pequeña, puede expresarse como:

${\displaystyle D={\frac {1}{4}}a^{2}\nu _{0}{\text{exp}}(-{\frac {E_{\mathrm {D} }}{k_{\mathrm {B} }T}})}$

Donde a es la distancia de salto para el átomo. E _D es la energía necesaria para pasar la barrera de difusión . ν ₀ es la frecuencia de intento . ^{[ 2 ]}

El modelo CBF obedece la siguiente ecuación de continuidad :

${\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}=D\nabla ^{2}n+F-{\frac {n}{\tau _{\mathrm {des} }}}}$

Combinando los estados estacionarios (${\displaystyle dn/dt=0}$) con las siguientes condiciones de contorno puede conducir a una expresión para la velocidad de los adátomos en cada sitio de adsorción. ^{[ 2 ]}

${\displaystyle \nu _{i}=\beta _{\mathrm {inc} }[n_{1}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{\mathrm {inc} }[n_{u}(x_{i})-{\tilde {n}}]}$

Las condiciones de contorno:

${\displaystyle D{\frac {\mathrm {d} n_{1}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{\mathrm {inc} }[n_{1}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

Y:

${\displaystyle -D{\frac {\mathrm {d} n_{u}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{\mathrm {inc} }[n_{u}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

En 2012, científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur lograron utilizar fosfina para inyectar de forma precisa y determinista un único átomo de silicio sobre una superficie de silicio epitaxial . Este átomo adsorbido creó lo que se describe como un transistor de un solo átomo . Así, dado que las fórmulas químicas empíricas indican la ubicación de los iones ramificados unidos a una molécula específica, el dopante de los transistores basados ​​en silicio y otros componentes electrónicos similares tendrá identificada la ubicación de cada átomo o molécula dopante, junto con la característica asociada del dispositivo en función de dichas ubicaciones. Por lo tanto, el mapeo de las sustancias dopantes proporcionará las características exactas de cualquier dispositivo semiconductor , una vez que se conozcan todos los detalles. ^{[ 9 ]}

Con la tecnología disponible actualmente, es posible crear una cadena lineal de adátomos sobre una película epitaxial. De esta forma, se pueden analizar situaciones teóricas.

Además, Usami et al. lograron crear pozos cuánticos añadiendo átomos de Si a un cristal masivo de SiGe. Dentro de estos pozos observaron fotoluminiscencia de excitones confinados en ellos. ^{[ 2 ]}