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。

研究了钙钛矿结构SrTiO_3晶体表面台阶的热力学性质，以获得金属氧化物晶体表面台阶性质的基础知识。特别是，为了获得决定表面形貌最重要因素的台阶之间相互作用的定量信息，我们研究了具有5°倾斜角的SrTiO_3(001)邻边斜坡在平衡状态下的台阶分布状态。使用超高真空扫描隧道显微镜（STM）进行了研究。在 800°C 时，表面具有与晶格常数对应的高度为 3.9 Å 的稳定台阶，并且可以从 STM 图像评估台阶宽度分布。研究发现，在倾角为2°或更小的表面上，台阶分布相对规则，可以很好地近似为高斯分布。平台宽度分布对坡度角的依赖性表明，与步距的平方成反比的排斥相互作用正在起作用。此外，排斥相互作用系数估计约为5 eV·Å，表明排斥相互作用明显强于硅或金属晶体。另一方面，当倾斜角度超过2°时，台阶变得部分聚集，阶地宽度分布变得极宽，偏离高斯分布。通过分析获得的分布，我们发现短距离的台阶之间存在吸引力相互作用，并且这种吸引力相互作用产生影响的距离约为10 nm或更小。最近的理论研究预测，在步骤之间发生排斥和吸引相互作用的系统中，一定数量的步骤将聚集并变得稳定，这一观察表明，这是一个非常有趣的发现，有力地支持了理论预测。本研究揭示的 SrTiO_3 表面的逐步相互作用显示出比金属晶体或共价晶体更复杂的距离依赖性，这是由于离子之间的静电相互作用所致。