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Física de Superfícies

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Física de Superfícies

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  1. Física de Superfícies Edmar Avellar Soares Departamento de Física Universidade Federal de Minas Gerais

  2. Vagner Eustáquio de Carvalho Edmar Avellar Soares Mário Viana (doutorado) Fábio Negreiros (doutorado) Wendell Simões (mestrado) Rosalina Marques (IC-8 °) Diogo Duarte dos Reis (IC-8°) Amanda Coimbra (IC-4°) Hans-Dieter Pfannes Roberto Paniago Guilherme Abreu (doutorado) Gustavo Foscolo (Mestrado) André “Badaia” (IC – 4º) Daniel (IC – 8º) Wolmar (Técnico) Grupo de Superfície da UFMG CDTN - experimental UFBA - teoria UNICAMP - experimental e teoria UFRGS – experimental USP – teoria UFU - teoria

  3. Infra-estrutura

  4. Infra-estrutura

  5. Infra-estrutura

  6. Linhas Gerais de Pesquisa • Estrutura eletrônica e geométrica de superfícies de óxidos e interfaces metal-óxido • MnO sobre Ag(001) e Ag(111) (DFA-Unicamp, IF-UFBA) • MgO e CoO sobre Ag(001) e Ag(111) (CEA-Grenoble, INFM-Italy) • FeO e Fe3O4 sobre Ag(001) e Ag(111) (IF-UFBA) • Cr3O4, -Cr2O3 sobre Pt(111) (DFA-Unicamp) • ZrO2(110), ZrO2(111), -Al2O3(0001) e -Al2O3(1102)

  7. Linhas Gerais de Pesquisa • Formação de ligas superficiais metálicas e semicondutoras e superfícies vicinais • Implementação do método BFS (Nasa Glenn Research Center) • Ni sobre Pd(111) • Sb sobre Ag(111), Ag(110), Ag(001) e Au(110) (IF-UFBA) • In sobre Pt(111) (DFA-Unicamp, City University, Donostia) • Nanopartículas metálicas (Ag, Cu, Pt, Pd, Ni, Au) e bi-metálicas (AgCu, AgAu, AgPt, etc) (Nasa Glenn Research Center) • InSb(001): c(8x2), c(4x4)-Sb, c(4x4)-Pd (DFA-Unicamp, Warwick Universtiy) • Ag(977) e Pt(533) e filmes metálicos e de óxidos sobre as mesmas (University of Munique)

  8. Linhas Gerais de Pesquisa • Métodos de busca globais aplicados à determinação estrutural de superfícies • Simulated Annealing (IF-UFBA) • Algoritmo Genético (IF-UFBA, City University, Donostia) • Instrumentação • Construção de um STM para UHV (CDTN-BH, rede nano) • Construção de uma câmara de preparação • Construção de uma câmara para experimentos de PED

  9. Divisão do seminário • Por que estudar superfícies sólidas ? • O que chamamos de superfície ? • Relaxações, reconstruçoes e nomeclatura • Rede Recíproca em 1D • Rede Recíproca em 2 e 3D • Aparato experimental • Algumas técnicas utilizadas em superfícies • Espectroscopia de elétrons: composição química e estrutura eletrônica • Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED) • Difração de Fotoelétrons (PED) • Difração de Raios-X rasante (GIXD) • Comparação entre as técnicas • Conclusão

  10. Por que estudar Superfícies?? A interação de qualquer objeto com a sua vizinhaça se dá através de sua superfície!

  11. Por que estudar Superfícies?? Catálise CO + 1/2 O2 -> CO2(substrato: Rh)

  12. Activity Diameter (nm) Por que estudar Superfícies?? Catálise CO + ½ O2 = CO2 Valden et al., Science 281 (1998) 1647

  13. Por que estudar Superfícies?? PbSe on Pb(1-x)EuxTe Au on N/Cu(001) Co on Pt(997) Science, 416 (2002) 301 Science, 282 (1998) 734 Surf. Sci., 511 (2002) 183 Fe on 2ML of Cu on Pt(111) Ge on Si(001) Co on Au(111)(22 x √3) Surf. Sci., 545 (2003) 211 PRB, 44 (1991) 10354 Nature, 394 (1998) 451

  14. Por que estudar Superfícies?? J.Phys: Condens. Matter 15 (2003) S3281-S3310

  15. O que chamamos de superfície? O que definimos como superfície depende do problema a ser estudado

  16. Cercado por 3 Oxigênios Cercado por 6 Oxigênios e 1 Alumínio Relaxações, reconstruções e nomeclatura Por que as propriedades das superfícies sólidas se diferem das propriedades de volume?

  17. S= s11 s12 s21s22 Relaxações, reconstruções e nomeclatura Nomeclatura de superfícies Notação de Wood: S(hkl)(mn)R-A Notação Matricial: b1 = s11a1+ s12a2 b2= s21a1 + s22a2

  18. fcc(100) fcc(110) fcc(111) bcc(110) bcc(111) bcc(100) Relaxações, reconstruções e nomeclatura

  19. Relaxações, reconstruções e nomeclatura Relaxações em Metais

  20. Relaxações, reconstruções e nomeclatura

  21. Relaxações, reconstruções e nomeclatura 1x1, c(2x2), 2x2 Reconstructions Unit Lattice

  22. Relaxações, reconstruções e nomeclatura 1x1, 2x2, (3x3)R30º Reconstructions Unit Lattice

  23. Espaço real ou direto – rede de bravais a Onda Plana eiKx onde K=2/ eiK(x+a) = eiKx ou eiKa=1 (K=2/a) Para alguns valores de K, a onda plana terá a mesma periodicidade da rede de bravais Espaço recíproco – rede de Bravais 2/a Rede Recíproca em 1D O conjunto de vetores de onda K que produzem ondas planas com a mesma periodicidade de uma dada rede de Bravais é conhecido como rede recíproca.

  24. Rede Recíproca em 3D e 2D Conjunto de vetores K com a mesma periodicidade: A rede recíproca também é uma rede de Bravais: 3D: (pontos) 2D: (linhas) Observemos primeiramente que:bi aj = 2ij Podemos escrever K como uma combinação linear dos vetores b1, b2, b3 e R como combinação linear dos vetores a1, a2, a3 K=k1b1 + k2b2 + k3b3, R=n1a1 + n2a2 + n3a3 k1, k2, k3 são inteiros KR = 2(k1n1 + k2n2 + k3n3)= 2  inteiro

  25. Rede recíproca em 3D: composta de pontos distribuídos no espaço Rede recíproca em 2D: composta de linhas distribuídas no plano Rede recíproca de um cristal real: superposição das duas redes

  26. Rede Recíproca em 3D e 2D Real space Reciprocal space

  27. Aparato experimental • um sistema de Ultra-Alto-Vácuo (UHV); • maneiras de limpar e preparar amostras in situ; • técnicas que nos permitam identificar a composição química da superfície; • técnicas que nos permitam determinar a localização dos átomos na superfície; • técnicas que nos permitam obter informações sobre a estrutura eletrônica da superfície em estudo.

  28. Aparato experimental O que é e por que usar UHV? • Vácuo em nossa vida (1atm=760 Torr; 1 Torr=1 mmHg): • Respiração 740 Torr • Aspirador de pó 600 Torr • Sucção 300 Torr • Sucção de Mosquito 100 Torr • Tubo de Vácuo 10-5 Torr • Pressão na Lua 10-8 Torr • 1.000 km acima da Terra 10-10 Torr • 10.000 km acima da Terra 10-13 Torr }UHV

  29. Aparato experimental Por que usar UHV ? Para manter a superfície que se quer estudar livre de contaminações por um período de tempo suficientemente longo de modo que se possa realizar as experiências necessárias. Atmosfera 1 ML em ~ 10-19 segundos. 10-6 Torr 1 ML em ~ 1 segundo. 10-10 Torr 1 ML em ~ 105 segundos (~27 horas).

  30. Limpeza: • Bombardeamento da superfície com íons (em geral de gases nobres); • Aquecimento da superfície por radiação ou bombardeamento de elétrons. Aparato experimental

  31. Aparato experimental • Preparo: • adsorção de moléculas ou gases; • deposição controlada de elementos químicos.

  32. Algumas Técnicas Utilizadas em Superfícies

  33. Algumas Técnicas Utilizadas em Superfícies Por que elétrons?

  34. Espectroscopia de elétrons

  35. Espectroscopia de elétrons Auger Electron Emission X-ray Photon Emission

  36. Espectroscopia de elétrons

  37. Espectroscopia de elétrons - XPS XPS: KE = h - BE - 

  38. Espectroscopia de elétrons - XPS

  39. Bola de baseball m=0,15 kg, v=25 m/s =1,8x10-34 m Elétron m=9,1x10-31 kg, v=6,0x106 m/s =1,2x10-10 m Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED) Ondas de Matéria (de Broglie) h=6.63 x 10-34 J s (Constante de Planck) Comprovação experimental: nascimento da difração de elétrons

  40. Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED)

  41. Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED) • Coleta das curvas I(V) experimentais; • 2) Cálculo das curvas I(V) teóricas; • 3) Comparação entre teoria e experiência utilizando-se a metodologia do fator-R.

  42. Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED) Montagem experimental

  43. Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED) E1 E2 > E1

  44. Diffracted e-beams LEED spots Ewald Sphere Incoming e-beam Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED) Reciprocal Lattice Rods sample

  45. Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED)

  46. Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED) Padrão LEED de In depositado em diferentes quantidades, sobre uma superfície de Si(111) Padrão LEED da superfície Si(111) 7 x 7

  47. Ag(111) – coeficiente de expansão da superfície Ag(111)(33)R30-Sb – “stacking fault” na superfície -Al2O3(0001): evidência de um modo de vibração anarmônico na superfície -Ga(001): transição de fase (11)  (2 2  2)R45 Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED) Exemplos

  48. Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED): Ag(111)

  49. Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED): Ag(111)-Sb

  50. x Sb y 1 = 0.07Å y z d12=2.46Å d23=2.34Å 3 = 0.05Å d34=2.42Å Difração de Elétrons de Baixa Energia (LEED): Ag(111)-Sb Em concordância com: - difração de raios-x - cálculos ab initio (DFT)