Явления, происходящие на атомарно чистой поверхности твердого тела, интересны как с точки зрения фундаментальной физики, так и для всевозможных применений в технологии. Однако экспериментальное изучение этих явлений на атомарных масштабах и, что важнее, на атомарных временах сопряжено с рядом непреодолимых пока трудностей. К примеру, такие экспериментальные методы, как атомная или сканирующая туннельная микроскопия, обладающие достаточным пространственным разрешением, пока безнадежно медленны для наблюдения за движением отдельных атомов. Поэтому для получения хоть какой-то информации об атомарных процессах на поверхности приходится прибегать к опосредованным методам наблюдения. Интересный пример таких методов изложен в работе [R.van Gastel et al, Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 1562]. Изучая диффузию атомов индия на поверхности кристалла меди, авторы, фактически, показывают, как можно исследовать движение вакансий, не видя их въявь.

В этой работе методами сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) исследовалась [001] поверхность монокристалла высокочистой меди. Поскольку наблюдения велись при комнатной температуре, то на СТМ снимках нельзя было увидеть ни отдельной вакансии, ни отдельного адатома меди (т.е. атома, "выскочившего" из своего узла на поверхность с образованием вакансии). Действительно, при комнатной температуре время жизни вакансии в одном узле решетки составляет порядка 10 нс, что на много порядков меньше типичного времени, необходимого для создания одного СТМ снимка (порядка нескольких секунд).

Когда на поверхность меди высаждается небольшое количество примесных атомов (в эксперименте это были 3% атомарного слоя атомов индия), то, блуждая по поверхности, они находят вакансии и занимают их. После этого их подвижность резко падает: типичные времена жизни атома индия в одном узле составляли десятки секунд. Этого уже было вполне достаточно для того, чтобы запечатлеть каждый атом индия на СТМ снимках, и, анализируя последовательность снимков, изучать диффузию примесных атомов по поверхности. Таким образом, наблюдая за каким-либо атомом, экспериментаторы видели следующую картину: на нескольких снимках атом находится в одном узле, потом в какой-то момент времени он перескакивает в другой узел, и, начиная со следующего снимка, был виден уже там.

Синхронные перескоки нескольких атомов индия: за время, прошедшее между снимками a) и b) (160 сек) атомы индия не сдвинулись; за время, прошедшее между снимками b) и c) (20 сек) несколько атомов синхронно переместилось в новые узлы.

Проделав этот анализ, экспериментаторы обнаружили ряд интересных особенностей в поведении атомов. Во-первых, атомы индия часто перескакивали не в ближайший узел решетки, а сразу на несколько узлов. Во-вторых, находящиеся достаточно близко друг к другу атомы индия совершали синхронные, одновременные прыжки. Пример такого события показан на рисунке. Видно, что за время, прошедшее между первым и вторым снимками (160 сек), атомы индия (светлые пятна) не сдвинулись. Однако на третьем снимке, сделанном через 20 сек, оба атома сместились, и, кроме того, в кадр попали еще два новых атома.

Авторы работы полагают, что единственное разумное объяснение этих особенностей заключается в том, что диффузия атомов индия происходит за счет взаимодействия с очень редкими, но крайне подвижными вакансиями. Одна такая вакансия, быстро и хаотично блуждая по поверхности меди, "натыкается" на атом индия и, меняясь с ним местами, перемещает его. Благодаря тому, что вакансия притягивается к атомам индия, она имеет тенденцию "возвращаться" к атому, взаимодействовать с ним по нескольку раз, прежде чем она удалится от него на "безопасное" расстояние. Именно это и является причиной "длинных", многоузельных перескоков атомов индия. Далее, если вакансия натыкается на два близких атома индия, то она с большой долей вероятности провзаимодействует с ними обоими, прежде чем покинуть это место, что и приводит к синхронным перескокам нескольких атомов.

Компьютерное моделирование движения атомов индия, проведенное на основе этого механизма, прекрасно описывает результаты эксперимента. Таким образом, можно с полной уверенностью говорить, что диффузия примесных атомов по поверхности монокристалла при комнатных температурах идет за счет взаимодействия с вакансиями.

Хотя авторы работы и не акцентируют на этом внимание, мне хочется подчеркнуть важную особенность работ такого типа. Не видя движение вакансий напрямую, мы, тем не менее, можем его исследовать благодаря тому, что оно сказывается более медленной диффузии примесных атомов. Мы не можем уследить за отдельно взятой вакансией, но на основании этих экспериментов мы способны статистически предсказывать их типичное поведение. А это уже немало.

Игорь Иванов