金属酸化物表面におけるステップの熱力学・動力学的性質の解明

阐明金属氧化物表面台阶的热力学和动力学性质

基本信息

批准号：
14740191
负责人：
須藤孝一
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

金属酸化物結晶表面におけるステップの性質に関する基礎的な知見を得ることを目的として、ペロブスカイト構造を持つSrTiO_3結晶表面上のステップの熱力学的性質について調べた。特に表面形態を決定する最も重要な要素であるステップ間相互作用に関する定量的な情報を得るため、5°以下の様々な傾斜角度のSrTiO_3(001)微斜面について、その平衡状態におけるステップの分布状態を超高真空走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて調べた。800℃では、表面は格子定数に対応する3.9Åの高さのステップが安定であり、STM像からテラス幅分布の評価を行った。傾斜角度が2°以下の表面では、ステップの分布は比較的規則的に分布しており、ガウス分布でよく近似できることが分かった。テラス幅分布の傾斜角度依存性から、ステップ間距離の2乗に反比例する斥力的相互作用が働いていることが明らかとなった。さらに反発相互作用係数が約5eV・Åと評価され、シリコンや金属結晶と比べて反発相互作用が著しく強いことが分かった。一方、傾斜角度が2°以上になると、ステップが部分的に凝集するようになり、テラス幅分布はガウス分布からずれた非常にブロードなものになることが分かった。得られた分布を解析し、ステップ間には短距離では引力的な相互作用が働いており、その引力相互作用が影響を及ぼす距離は10nm程度以下であることを明らかにした。最近の理論的研究で、ステップ間に斥力的相互作用と引力的相互作用が働く系では、ある特定の数のステップが凝集して安定化することが予想されており、今回の観察結果はこの理論予測を強く支持する非常に興味深いものであると言える。本研究で明らかとなったSrTiO_3表面のステップ間相互作用は、金属結晶や共有結合性結晶の場合と比べ複雑な距離依存性を示しており、これはイオン間の静電相互作用に起因していることを明らかにした。

为了获得有关在金属氧化物晶体表面上台阶的特性的基本知识，研究了具有钙钛矿结构的SRTIO_3晶体表面的台阶的热力学性质。特别是，为了获得有关确定表面形态的最重要因素的逐步相互作用的定量信息，使用超高真空扫描隧道显微镜（STM）检查了平衡状态下步骤的分布。在800°C下，表面在3.9Å的步骤中稳定，对应于晶格常数，从STM图像中评估了露台宽度分布。已经发现，在倾斜角为2°或更小的表面上，步骤的分布相对定期分布，并且高斯分布可以很好地近似。露台宽度分布的倾斜角度依赖性表明，排斥相互作用与步进距离的平方成反比。此外，在约5 eV·Å处评估了排斥相互作用系数，这表明排斥相互作用明显高于硅或金属晶体。另一方面，当倾斜角度为2°或更多时，台阶会部分凝结，并且露台宽度分布变得非常宽，不超出高斯分布。分析了所获得的分布，并发现步骤之间的短距离涉及有吸引力的相互作用，并且有吸引力的相互作用影响的距离小于10 nm。最近的理论研究预测，一定数量的步骤将在步骤之间发生排斥和有吸引力的相互作用的系统中汇总和稳定，而当前的观察结果非常有趣，这强烈支持这一理论预测。这项研究中揭示的SRTIO_3表面的步进间相互作用与金属或共价晶体相比具有复杂的距离依赖性，并且发现这是由于离子之间的静电相互作用所致。