Поверхность кристалла колеблется не так, как весь объем

Атомы на поверхности кристалла могут колебаться совсем не так, как в толще. Изображение с сайта www.physik.tu-berlin.de, где можно посмотреть анимации разных типов поверхностных колебаний

Новая методика эксперимента позволила послойно изучить колебания атомов вблизи поверхности кристалла. Первый слой атомов на поверхности колеблется особым образом, а уже второй и более глубокие слои — почти так же, как толща.

Механические и термодинамические свойства поверхности кристалла могут существенно отличаться от свойств в его толщи. Например, на поверхности переходных металлов протекают химические реакции, которые не идут сами по себе. Это свойство уже давно используется в повседневной жизни, например, для «дожигания» выхлопных газов в автомобильных катализаторах.

Другой пример — плавление. Твердое тело начинает плавиться, если тепловые колебания атомов превышают некоторый предел. Атом, расположенный на поверхности, удерживается на месте меньшим количеством соседей, чем атом внутри кристалла, а значит, и колеблется более свободно. Поэтому плавление на самой поверхности кристалла начинается при более низких температурах, чем в толще образца (например, поверхностное плавление льда начинается уже при -70°С).

Несмотря на то, что все эти явления уже более-менее изучены, в арсенале физиков-экспериментаторов до сих пор не было надежной методики, способной четко измерить амплитуду колебаний в каждом слое атомов вблизи поверхности. Имеющиеся на сегодня способы «зондирования» поверхности не позволяют это сделать — в лучшем случае измеряются колебания, усредненные по нескольким приповерхностным слоям.

Этот пробел восполнила работа польских, французских и австрийских физиков, опубликованная на днях в журнале Physical Review Letters. В их статье описывается хитроумный эксперимент, позволивший отдельно измерить колебания атомов на самой поверхности и в нескольких слоях под ней. Для этого авторы изготовили тонкий кристалл железа, в котором все атомарные слои, кроме одного, состояли из обычного изотопа железа-56, а один заранее выбранный слой — из более тяжелого изотопа ⁵⁷Fe. Применив затем метод, различающий изотопы, они смогли просканировать характер колебаний кристалла слой за слоем.

Делалось это так. На вольфрамовую подложку в сверхглубоком вакууме медленно напылялись атомы железа-56 — так слой за слоем вырастал атомарно чистый кристалл. Нанеся таким образом 20 слоев, исследователи переключили источник атомов, и теперь стало напыляться железо-57. Подождав, пока вырастет ровно один атомарный слой, ученые выключили источник. Получился тонкий монокристалл железа, в котором атомарный слой на поверхности оказался «изотопно помеченным» — он состоял из атомов железа-57. Напыление проводилось при специальном температурном режиме, позволявшим обеспечить «ровную кладку» атомарных слоев и минимизировать их перемешивание.

По такой же методике авторы вырастили и другой образец за тем лишь исключением, что после напыления железа-57 они вновь переключились на обычный изотоп железа и напылили еще один атомарный слой сверху. Так получился образец, в котором был помечен второй по глубине слой атомов. Точно так же были изготовлены и другие образцы с более глубокими помеченными слоями. Стоит отметить, что внедрение слоя «чужеродных» атомов практически не влияет на динамику колебаний, потому что структура решетки при этом не нарушается, а масса у разных изотопов отличается несущественно.

Подготовив несколько образцов, авторы изучили колебания атомов с помощью метода резонансного рассеяния рентгеновского излучения. В этом методе рентгеновские лучи, летящие вдоль поверхности кристалла, частично поглощаются и затем переиспускаются атомными ядрами. Обычно это рассеяние довольно слабое, но при строго определенной (и зависящей от конкретного изотопа) энергии лучей наступает резонанс — рассеяние получается очень сильным, и его легко заметить даже в тонких пленках. Эта энергия в данной работе была настроена на резонанс в ядре железа-57.

Энергия излученного фотона чуть отличается от исходной, поскольку часть ее тратится на колебания решетки. Поймав излученные фотоны и измерив эту разницу, можно вычислить частоту колебаний. Важно подчеркнуть, что тепловые колебания существуют во всем кристалле, как на поверхности, так и в глубине, однако видны в такой методике только колебания «отмеченного» атомарного слоя.

Результаты эксперимента позволили физикам впервые изучить слой за слоем, как колеблются атомы вблизи поверхности. Например, выяснилось, что слой атомов, лежащий непосредственно на поверхности, колеблется с заметно большей амплитудой и заметно меньшей частотой, чем атомы внутри кристалла. Колебания второго слоя уже мало отличаются от колебания глубоких атомов, а еще более глубокие слои уже почти неотличимы от толщи.

Эти результаты, в общем-то, не удивили теоретиков — именно такую картину предсказывают и современные вычисления. Однако всегда полезно, когда появляется новая, более «прозорливая» методика, позволяющая проверить вычисления. Благодаря этому согласию возросла уверенность в том, что теоретические расчеты хорошо описывают атомарную механику поверхности. Это, в свою очередь, означает, что они могут надежно применяться, например, для нанотехнологических приложений, где важность поверхностных атомов существенно возрастает.

Источник: T. Slezak et al., Phonons at the Fe(110) Surface // Physical Review Letters, 99, 066103 (7 August 2007).

Игорь Иванов