FONDAMENTI DI FISICA DELLE SUPERFICI 2012/2013
Alessandro Baraldi e Giovanni Comelli
Obiettivi: Il corso, incentrato sulla descrizione dei principali fenomeni fisici che avvengono sulle superfici dei solidi e delle tecniche sperimentali comunemente utilizzate per il loro studio, si prefigge l’obiettivo di far acquisire agli studenti la conoscenza delle più importanti proprietà fisico/chimiche delle superfici di metalli e semiconduttori. Il corso si propone inoltre di sviluppare capacità di analisi delle relazioni tra la struttura geometrica, struttura elettronica e proprietà chimiche di superfici pulite o ricoperte da adsorbati.
PROGRAMMA
Introduzione: il perché delle superfici
Le superfici e l’ultra alto vuoto: richiami alla teoria cinetica dei gas, rate di collisione, formazione di un monoLayer, regimi di pressione.
Struttura geometrica delle superfici: proprietà termodinamiche, tensione di superficie, roughening transition e fusione superficiale, struttura cristallina: 3D vs 2D, superfici ad alto indice di Miller, superfici ideali e reali, superfici metalliche, rilassamento di superficie, ricostruzione delle superfici pulite: metalli e semiconduttori, superfici bimetalliche, semiconduttori, ossidi, Scanning Tunneling Microscopy, Atomic Force Microscopy, Low Energy Electron Diffraction, Difetti di superficie, Transizioni di fase di superficie
Struttura elettronica: comparazione 3D vs 2D, jellium model, oscillazioni di Friedel, rilassamento di superficie-‐
struttura elettronica, funzione lavoro, stati elettronici di superficie: modello ad elettronic quasi-‐liberi, Angle Resolved Photoemission, Scanning Tunneling Spectroscopy, emissione da stati di superficie e di bulk, eccitoni e plasmoni
Interazione atomi/molecole superfici: adsorbimento attivato e non-‐attivato, energia di legame, descrizione del fisisorbimento, un esempio: i gas nobili (struttura e proprietà elettroniche), Coefficiente di sticking, Molecular beams, chemisorbimento molecolare, calore di adsorbimento, un esempio: il modello di Blyholder per il monossido di carbonio, transizioni di fase nei sistemi fisi-‐ e chemisorbiti, struttura dei sistemi chemisorbiti: simmetrie ed orientazioni molecolari, Near Edge X-‐ray Adsorption Fine structure, Ion Scattering, X-‐ray Photoelectron Spectroscopy e Diffraction, chemisorbimento dissociativo, un esempio: l’adsorbimento dell’ossigeno. ricostruzione delle superfici indotte da adsorbati, desorbimento atomico e molecolare, ordine di desorbimento, transition State Theory, Thermal Desorption Spectroscopy, vibrazioni molecolari, Electron Energy Loss Spectroscopy, Infra Red Absorption Spectroscopy,contributo di energia cinetica, vibrazionale e rotazionale nell’adsorbimento. Spettroscopia vibrazionale di molecola singola.
Reattività di superficie: classificazione dei meccanismi, Langmuir-‐Hinshelwood, Eley-‐Rideal, promozione ed avvelenamento, barriere di attivazione, modello di Hammer-‐Norskov sulla reattività chimica, reazioni oscillatorie e formazione di pattern spazio-‐temporali, PEEM
Crescita ed epitassia: stress vs strain, coefficiente e lunghezza di diffusione, Il processo di nucleazione, tipologie di crescita: Frank-‐van der Merwe vs Stranski-‐Krastanov, tecnichedi crescita: Molecular Beam Epitaxy, Chemical Vapour Deposition, Reflection High Energy Electron Diffraction
Bibliografia
K.W. Kolasinski, Surface Science: Foundations of Catalysis and Nanoscience, John Wiley & Sons A. Zangwill, Physics at Surfaces, Cambridge University Press
H. Lüth, Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films, Springer
FUNDAMENTALS OF SOLID SURFACES 2012/2013
Alessandro Baraldi e Giovanni Comelli
Objectives: The objective of the course, focused on the description of phenomena taking place at solid surfaces and on a wide range of experimental techniques used for their investigation, is to give the students the knowledge of the most important physical and chemical properties of metal and semiconductor surfaces. The students are expected to develop skills in the analysis of the relationship between geometric, electronic and chemical properties of clean and adsorbate covered surfaces.
PROGRAM
Introduction: why solid surfaces
Surfaces and ultra-‐high-‐vacuum: remind on kinetic theory of gases, collision rate, formation of a single monolayer, pressure regimes.
Geometric structure of surfaces: thermodynamic properties, surface tension, roughening transition, surface melting, crystal structure: 3D vs 2D, high-‐index Miller surfaces, real and ideal surfaces, metallic surfaces, surface relaxation, reconstructions of clean surfaces, bimetallic and oxide surfaces, Scanning Tunneling Microscopy, Atomic Force Microscopy, Low Energy Electron Diffraction, defects, phase transitions in 2D.
Electronic structure of surfaces: comparison of 3D and 2D band structure, jellium model, Friedel oscillations, surface relaxation: electronic origin, work function, surface states with the quasi-‐free electron model, Angle Resolved Photoemission, Scanning Tunneling Spectroscopy, emission from surface and bulk states, excitons and plasmons.
Interaction of atoms/molecules with surfaces: activated and non-‐activated adsorption, adsorption energy, physisorption, an example: noble gases, sticking coefficient, Molecular beams, molecular chemisorption, adsorption heat, and example: the Blyholder model for carbon monoxide, phase transitions in physi-‐ and chemi-‐adsorbed systems, symmetries and molecular orientations, Near Edge X-‐ray Adsorption Fine structure, Ion Scattering, X-‐ray Photoelectron Spectroscopy e Diffraction, dissociative chemisorption, an example: oxygen adsorption, adsorbates-‐
induced surface reconstructions, atomic and molecular desorption, desorption order, Transition State Theory, Thermal Desorption Spectroscopy, molecular vibrations, Electron Energy Loss Spectroscopy, Infra-‐Red Absorption Spectroscopy, contribution of kinetic, vibrational and rotational energy in the adsorption processes. Single molecule vibrational spectroscopy.
Chemical reactivity at surfaces: classification of the mechanisms, Langmuir-‐Hinshelwood, Eley-‐Rideal, promotion and poisoning, activation barriers, Hammer-‐Norskov model, oscillatory reactions and spatio-‐temporal patterns, PEEM
Growth and epitaxy: stress versus strain, diffusion length, nucleation processes, growth processes: Frank-‐van der Merwe vs Stranski-‐Krastanov, growth techniques: Molecular Beam Epitaxy, Chemical Vapour Deposition, Reflection High Energy Electron Diffraction
References
K.W. Kolasinski, Surface Science: Foundations of Catalysis and Nanoscience, John Wiley & Sons A. Zangwill, Physics at Surfaces, Cambridge University Press
H. Lüth, Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films, Springer
