アダトム

吸着原子は結晶表面にある原子であり、表面空孔の反対であると考えられる。この用語は表面化学とエピタキシーにおいて、表面にある単一原子と表面粗さを説明するときに使用される。この単語は「吸着原子」の混成語である。単一原子、原子のクラスター、分子または分子のクラスターはすべて、一般的な用語「吸着粒子」で呼ばれることがある。これは多くの場合、熱力学的に不利な状態である。ただし、グラフェンなどのケースは反例となる可能性がある。^[1]

「アダトム」は、吸着原子（adsorbed atomic）の略語です。原子が結晶表面に到達すると、結晶の周期的ポテンシャルによって吸着され、吸着原子になります。このポテンシャルの極小値は、表面上に吸着サイトのネットワークを形成します。吸着サイトにはさまざまな種類があります。これらのサイトはそれぞれ、表面のさまざまな構造に対応しています。吸着サイトには5つの異なる種類があり、テラス（吸着サイトが成長している表面層の上部にある）、ステップエッジ（成長層に隣接している）、成長層のキンク（屈曲部）、成長層のステップエッジ（表面層）（吸着サイトが下層内にある）です。^[2]

これらの吸着部位の種類のうち、キンク部位は結晶成長において最も重要な役割を果たす。キンク密度は成長速度論の主要な要因である。キンク部位への原子の付着、またはキンクからの原子の除去は、切断された結合の数が変わらないため、結晶の自由表面エネルギーを変化させない。これにより、キンク部位の原子の化学ポテンシャルは結晶の化学ポテンシャルに等しくなり、キンク部位は吸着原子が結晶の一部となる唯一の吸着部位タイプであることを意味する。^[2]

結晶学が使用される場合、または成長温度が高くなるとエントロピー効果が生じ、結晶表面が粗くなり、キンクの数が増えます。これは、吸着原子がキンクサイトに到達して結晶の一部になる可能性が高くなることを意味します。これが成長の通常のメカニズムです。^[2]

反対に、成長温度が低いと表面は滑らかになり、テラス吸着部位の数が多くなります。キンク部位はありますが、これはステップの端にのみ見られます。結晶は「ステップの横方向の動き」によってのみ成長します。^[2]このタイプの成長は、層成長メカニズムと呼ばれます。吸着原子が表面でどのように成長するかは、どの相互作用が最も強いか、または表面がどのように見えるかによって異なります。^[2]吸着原子間の相互作用が最も強い場合、吸着原子は表面に吸着原子のピラミッドを作成する可能性が高くなります。吸着原子と表面の相互作用が最も強い場合、吸着原子は表面に層を作成するように配置する可能性が高くなります。ただし、表面のステップの起源にも依存します。^[3]合計で、層成長には 5 つの異なるタイプがあります。通常の成長、ステップフロー成長、レイヤーバイレイヤー成長、多層 (または 3 次元アイランド) 成長、およびスパイラル成長です。^[2]

ステップフロー成長は階段状の表面で観察されます。これらの表面は、"原子的に平坦な低指数テラス" によって区切られた近接ステップの形状をしています。 ^[2]吸着原子がステップの端に付着すると、結晶の一部になるために付着するキンク サイトが見つかるまで表面に沿って移動します。ただし、キンク密度が十分に高くなく、すべての吸着原子がキンクの 1 つに到達しない場合は、小さな 2 次元の島がある平坦な表面があるかのように、テラス上に追加のステップが作成され、混合成長モードにつながり、層の成長タイプがステップフローから層ごとの成長に変わります。^[2]

層ごとの成長では、吸着原子と表面の相互作用が最も強くなります。^[3]表面に生成される2Dアイランドを介して新しい層が作成されます。アイランドは表面全体に広がるまで成長し、次の層の成長が始まります。この成長はフランク・ファン・デル・メルヴェ（FM）成長と呼ばれます。^[2]

場合によっては、層ごとの成長における新しい層を作るサイクルが運動学的制約によって中断される。これらの場合、下層が完成する前に上層の成長が始まり、3次元の島が作られる。層ごとの成長の代わりに、多層成長と呼ばれる新しいタイプの成長が開始される。多層成長は、Volmer-Weber成長とStranski-Krastanov成長に分けられる。^[2]

結晶表面にらせん転位が含まれている場合、らせん成長と呼ばれる異なるタイプの成長が起こる可能性があります。らせん転位の周囲では、成長中にらせん形状が見られます。らせん転位は消えない成長らせんを引き起こすため、結晶成長を引き起こすために島は必要ない可能性があります。^[2]

吸着原子はエピタキシーによって表面に結合します。このプロセスでは、新しい原子の付着によって結晶の新しい層が作成されます。これは化学反応によって、または新しいフィルムを加熱したり遠心分離したりすることによって行われます。一般的に、新しい層を形成するために使用される粒子は必ずしも吸着されるわけではありません。表面との結合を作成するにはエネルギーが必要であり、すべての粒子が表面のその部分に付着するために必要な量のエネルギーを持っているわけではありません（異なる部分では、異なるエネルギーが必要です）。粒子の流入フラックスFがある場合、その一部は吸着フラックスによって与えられ、吸着されます^[2]

${\displaystyle J_{ads}=sF}$

ここでsは付着係数です。この変数は表面と入ってくる原子のエネルギーだけでなく、粒子と表面の化学的性質にも依存します。粒子と表面の両方が他の粒子と反応しやすい物質でできている場合、原子は表面に付着しやすくなります。^[2]

フィルム表面の熱力学を見ると、結合が壊れてエネルギーが放出され、結合が形成されてエネルギーが閉じ込められることがわかります。関連する熱力学は、 1920年にヴァルター・コッセルとイヴァン・シュトランスキによってモデル化されました。このモデルはテラスレッジキンクモデル（TLK）と呼ばれています。^{[4] [5]}

吸着原子は結晶の構造に応じて、結晶と複数の結合を形成することができる。結晶が単純立方格子である場合、吸着原子は最大6つの結合を持つことができるが、面心立方格子では、最大12の最近傍原子を持つことができる。作成される結合が多いほど、より多くのエネルギーが閉じ込められ、吸着原子の脱着が困難になる。^[6]

吸着原子にとって特別な場所はキンクであり、表面との結合のちょうど半分が形成される場所であり、「半結晶位置」とも呼ばれる。^[7]

吸着原子は結晶中の他の原子よりも結合が少ないため、非結合電子を持っています。これらの電子はスピンを持ち、したがって磁気モーメントを持っています。この磁気モーメントは、磁場などの外部の影響が現れるまで、方向の好みはありません。表面上の吸着原子の構造は、外部磁場を変更することで調整できます。この方法により、原子鎖などの理論的な状況をシミュレートできます。吸着原子を使用する場合は、その規模が小さいため、量子力学を考慮する必要があります。^[8]

原子によって生成される磁場は、主に電子の軌道とスピンによって生じます。陽子と中性子の磁気モーメントは、電子の磁気モーメントに比べて質量が大きいため無視できます。自由電子を持つ原子が外部磁場内にある場合、その磁気モーメントは外部磁場と揃います。これは、原子のエネルギーが低下するためです。束縛電子がこの磁気モーメントを示さないのは、すでに好ましいエネルギー状態にあり、変化しにくいためです。（磁気的に揃った）原子の 磁化は次のように表されます。

${\displaystyle M={\frac {Ng_{j}^{2}\mu _{B}^{2}B}{3k_{b}T}}j(j+1)}$

ここで、Nは電子数、g _jは g 因子、μ _Bはボーア磁子、k _bはボルツマン定数、Tは温度、j は全角運動量量子数です。この式は、電子の磁気エネルギーが で与えられ、交換相互作用がないという仮定の下で成り立ちます。 ${\displaystyle E=m_{j}g_{j}\mu _{B}B}$

表面を横切る吸着原子の動きは、バートン、カブレラ、フランク（CBF）モデルで説明できます。このモデルでは、吸着原子を表面上の2次元ガスとして扱います。吸着原子は拡散定数Dで拡散し、原子あたりの速度で上部の媒体に脱着され、フラックスFで吸着されます。^[2]${\displaystyle 1/\tau_{des}}$

粒子の濃度が小さい場合、拡散定数は次のように表されます。

${\displaystyle D={\frac {1}{4}}a^{2}\nu _{0}{\text{exp}}(-{\frac {E_{D}}{k_{b}T}})}$

ここでaは原子のホッピング距離である。E _Dは拡散障壁を通過するのに必要なエネルギーである。ν ₀は試行周波数である。^[2]

CBF モデルは次の連続方程式に従います。

${\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}=D\nabla ^{2}n+F-{\frac {n}{\tau _{des}}}}$

定常状態（）と以下の境界条件を組み合わせると、各吸着部位における吸着原子の速度を表す式が得られます。^[2]${\displaystyle dn/dt=0}$

${\displaystyle \nu_{i}=\beta_{inc}[n_{1}(x_{i})-{\tilde{n}}]+\beta_{inc}[n_{u}(x_{i})-{\tilde{n}}]}$

境界条件:

${\displaystyle D{\frac {\mathrm {d} n_{1}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{inc}[n_{1}(x_{i})-{\tilde {n}}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

そして：

${\displaystyle -D{\frac {\mathrm {d} n_{u}}{\mathrm {d} x}}|_{x=x_{i}}=\beta _{inc}[n_{u} (x_{i})-{\チルダ {n}}]+\beta _{p}[n_{1}(x_{1})-n_{u}(x_{i})]}$

2012年、ニューサウスウェールズ大学の科学者は、ホスフィンを使用して、単一のシリコン原子をエピタキシャルシリコンの表面に正確かつ決定論的に放出することに成功しました。この結果得られた吸着原子は、単一原子トランジスタと呼ばれるものを作成しました。したがって、化学実験式が特定の分子に付着した分岐イオンの位置を正確に特定するのと同様に、シリコンベースのトランジスタやその他の電子部品のドーパントでは、各ドーパント原子または分子の位置が特定され、指定された位置に基づいてデバイスの関連特性も特定されます。したがって、ドーパント物質のマッピングは、すべてが判明すれば、特定の半導体デバイスの正確な特性を示します。^[9]

現在利用可能な技術では、エピタキシャル膜の上に吸着原子の直線鎖を作成することが可能です。これにより、理論的な状況を分析できます。

さらに、宇佐美らはSiGeバルク結晶にSi原子を加えることで量子井戸を作ることに成功しました。彼らはこれらの井戸の中で、井戸の中に閉じ込められた励起子の光ルミネセンスを観察しました。^[2]