X-ray photoelectron diffraction and holography – new methods of 3D visualization of atomic surface structure
Рентгеновская фотоэлектронная дифракция и голография – новые методы 3D-визуализации атомной структуры поверхности

М. Kuznetsov, I. Ogorodnikov, L. Yashina
2017 Analytics  
Рентгеновская фотоэлектРонная дифРакция и гологРафия - новые методы 3D-визуализации атомной структуры поверхности М.Кузнецов, д.х.н., И.Огородников, к.ф.-м.н., УДК: 543.44; 543.45 ВАК: 02.00.02 институт химии твердого тела уро ран, екатеринбург Л.Яшина, д.х.н., мГу им. м.в.ломоносова kuznetsov@ihim.uran.ru рентгеновская фотоэлектронная дифракция (рФд) и голография (рФГ) -динамично развивающиеся методы, ориентированные на изучение атомной структуры поверхности твердых тел, в том числе
more » ... ом числе наноструктур, формирующихся в ходе адсорбции газов, эпитаксиального роста пленок и т.д. Глубина анализа рФд и рФГ -несколько нм, что позволяет характеризовать позиции атомов, расположенных как на поверхности, так и под ней. Эти методы чувствительны к сорту исследуемых атомов, а также к выделенным химическим формам изучаемых элементов. возможности рФд и рФГ удалось значительно повысить за счет объединения их сильных сторон и совершенствования методологии структурного анализа поверхности. предложена оригинальная компьютерная программа XPDProcessor, позволяющая, в частности, строить в 3D-формате изображения атомной структуры на глубину несколько нм. обсуждаются примеры использования рФд и рФГ для структурного анализа поверхностей слоистых халькогенидов Bi 2 Se 3 и Bi 2 Te 3 -топологических изоляторов, важных материалов для спинтроники будущего. поверхность занимает важное место в современной науке и технике. ее роль многократно возрастает, когда мы имеем дело с низкоразмерными системами и наноматериалами, такими как эпитаксиальные пленки, слои графена, слоистые соединения с уникальными свойствами (например, топологические изоляторы) и др. сведения о поверхности принципиально важны в гетерогенном катализе, где необходимо иметь представление о дизайне работающей поверхности, позициях центров адсорбции, геометрии сорбированных молекул и т.д. Что важно знать о поверхности? нужны сведения о химическом составе, атомной структуре, природе химических связей, электронном строении, функциональных свойствах (рис.1). очевидные успехи в этой области связаны с развитием экспериментальных методов изучения поверхности и теоретических подходов ее моделирования. сегодня ведется поиск новых методов, расширяется круг объектов исследования с переходом от простых к более сложным системам, характеризующимся многообразием протекающих на поверхности реакций. предлагаем перспективный метод исследования, использующий 3D-визуализацию атомной структуры поверхности твердых тел. сегодня при изучении структуры поверхности исследователи сталкиваются с проблемой определения позиций атомов не на поверхности, а в слоях, непосредственно примыкающих к ней. если о верхнем слое исчерпывающую информацию дает метод сканирующей туннельной микроскопии (стм), то для анализа второго, третьего и т.д. слоев под поверхностью требуются специализированные подходы, использующие эффекты рассеяния и дифракции, например электронов. до недавних пор лидером здесь выступал метод дифракции медленных электронов (дмЭ). однако глубина анализа дмЭ ограничивается двумя-тремя слоями и, что важно, -дмЭ не "чувствителен" к химической природе элементов в поверхностных слоях. из голографии, далее рассчитываются теоретические 2π-проекции (голограммы) и сравниваются с экспериментальными аналогами. мы ограничились рассмотрением нескольких наиболее чувствительных к поверхностной релаксации структурных параметров. предположив, что параметр решетки a 0 поверхностей (111) Bi 2 X 3 (X:Se,Te) не отличается от объемных значений, основное внимание уделили анализу релаксации двух верхних межслоевых расстояний d 1 и d 2 , а также щели ван-дер-ваальса (см. табл.). известно, что поверхностная релаксация не типична для сло-истых материалов, поскольку при формировании поверхности рвутся только слабые связи ван-дерваальса. даже в случае ионно-ковалентных соединений, таких как PbS и MgO, поверхностная релаксация, снижающаяся по мере удаления от поверхности, не превышает 3%. тем не менее данные дмЭ, полученные для поверхности (111) Bi 2 Te 3 [10], свидетельствуют о сжатии первых двух слоев на 1%. квантовохимические расчеты [8] также показывают релаксацию примерно на 1% в поверхностных слоях (111) Bi 2 Te 3 и (111) Bi 2 Se 3 (см. табл.). однако такое отклонение от объ-Phys.
doi:10.22184/2227-572x.2017.32.1.76.87 fatcat:5atldi24ozc47h74ebdudgllie