Le vibrazioni di superficie e lo
scattering anelastico
Dr. Stefania Benedetti
Corso di Laurea Specialistica/Magistrale in Fisica
Università di Ferrara
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I Fononi di superficie
Modo ottico (bulk)
Modo acustico (bulk)
Relazioni di dispersione dei fononi superficiali
( k // ,
bulk
)
superficie
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Surface Phonon and Plasmon Polaritons
Modi fononici ottici di superficie (che originano da TO e LO di bulk)
funzione dielettrica di oscillatore armonico
funz. dielettrica di un gas a elettroni liberi
Dispersione della banda SPP
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Surface Phonon and Plasmon Polaritons
Bassa densità di portatori pochi elettroni liberi
Si osserva solo il phonon polariton (e le sue repliche)
Alta densità di portatori (n-doped)
Sistema misto con parte a elettroni legati e parte a
elettroni liberi:
Si osservano sia il phonon polariton (e le sue
repliche) che il plasmon polariton
Funzione di perdita (legata a funzione dielettrica)
Mostra un contributo da oscillatore TO e uno da
gas di elettroni liberi.
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I Plasmoni di superficie
Propagazione di un plasmone su una superficie
Metamateriali a indice di rifrazione negativo (NIM)
Risoluzione oltre la λ della luce
Guide d’onda – propagazione a grandi distanze
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Le Risonanze Plasmoniche Localizzate
Variando dimensione, forma e ambiente dielettrico
della nanoparticella, variano le condizioni di
risonanza sposto il picco di assorbimento ottico
Applicazioni: Sensoristica, Fotocatalisi, Fotovoltaico,…
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Lo Scattering Anelastico
Interazione tra elettrone incidente e atomi in vibrazione nel solido/superficie/nanostruttura
1. Scattering di DIPOLO:
Elettrone induce eccitazione di superficie
L’eccitazione induce una modulazione del dipolo elettrico
elettrone risente del campo di dipolo a lungo raggio
scattering a piccoli angoli
2. Scattering da IMPATTO:
interazione con potenziale atomico locale eccitazione di
stato elettronico elettrone anelastico occupa stato eccitato
e esce con un ΔE=ћω scattering ad alti angoli
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Lo Scattering Anelastico
Teoria dielettrica – (scattering di dipolo)
E' E
'
k //
k //
q //
Energia trasferita
G //
Momento trasferito
Scattering anelastico da una superficie:
termine di risonanza
Se E
Funzione di perdita
, q // piccolo,
scattering a piccoli angoli
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Lo Scattering Anelastico
Teoria dielettrica – (scattering di dipolo)
( )
1
i
2
Le strutture (picchi) di uno spettro di perdita saranno date da:
1.
2.
strutture in
1
( )
2
( ) assorbimento ottico del materiale
1 condizione di oscillazione di eccitazioni collettive (fononi, plasmoni)
Scattering anelastico da un film sottile:
Domina contributo da campo perpendicolare alla superficie REGOLA DI SELEZIONE SULLA ORIENTAZIONE
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Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)
HREELS: High Resolution EELS
EELS
E < 20 eV
100 < E < 500 eV
• Esperimenti di scattering in riflessione in UHV
• Sensibile anche ai contributi di bulk
• Alta sensibilità alla superficie
• Spettro è dominato da transizioni interbanda,
oltre che da fononi e plasmoni (superficie e bulk)
• Spettro è dominato da fononi e plasmoni
superficiali
• Determinazione delle relazioni di dispersione dei
modi collettivi
• Modi vibrazionali molecolari
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Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)
1.
Fascio elettronico monoenergetico (solitamente da cannone a filamento caldo)
HREELS: δE = 1 meV
EELS: δE = 0.3-0.5 eV
Monocromatizzazione mediante
un analizzatore (CMA, emisferico)
Non è necessaria
monocromatizzazione ulteriore
2.
Teoria dielettrica per
scattering da dipolo
3.
Scattering con solido/superficie
Teoria microscopica complessa
(posizioni atomiche, distribuzioni di
carica) per regime da impatto
Analisi in energia degli elettroni scatterati (ev. secondo analizzatore)
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Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)
Esempio 1
Determinazione delle proprietà di superficie/bulk di un materiale
bulk interband transitions
surface plasmon
bulk plasmon
Transizioni interbanda da stati d a banda di conduzione
Riconoscimento delle strutture caratteristiche di un materiale
utile per riconoscere elementi, composizione, struttura
cristallina, legami,…
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Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)
Esempio 2
Determinazione della geometria di adsorbimento delle molecole (siti di adsorbimento,
orientazione relativa alla superficie)
Cu surface loss function
N2O orientato perpendicolarmente alla superficie
Vibrazioni molecolari siti di adsorbimento
(LEED) e orientazione della molecola 13
Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)
Esempio 3
Combinazione di TEM/SEM con EELS Elettroni primari energetici (100 keV), bassa
risoluzione energetica (0.5-1 eV) Mappatura elettronica/ottica risolta spazialmente
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