Controlled lateral and perpendicular motion of atoms on metal surfaces

Abstract

Özet ATOMLARIN METAL YÜZEYLERİNDE YATAY VE DÜŞEY YÖNDE KONTROLLÜ HAREKETLERİ Alper Buldum Fizik Yüksek Lisans Tez Yöneticisi: Prof. Salim Çıracı Kasım 1994 Geçenlerde bazı deneyler, tarama tünelleme mikroskobu (TTM) kullanılarak, metal yüzeylerinde bulunan atomların istenilen pozisyonlara taşınabileceğini gösterdi. Daha fazlası, bir atomun TTM'nin iki elektrodu arasında tersinir bir şekilde, kontrollü olarak hareket ettirilebileceği gösterildi ki bu durumda iki sabit iletkenlik değeri elde ediliyordu. Adsorbe olmuş atomların ya da moleküllerin kontrollü dinamiği yeni bir araştırma alanı açtı. Bu tez çalışması, bir asal gaz atomunun (Xe) metal yüzeylerinde, yatay ve düşey yönde kontrollü hareketlerinin teorik olarak incelenmesidir. Xe atomunun Ni(llO) ve Pt(lll) yüzeylerinde yatay hareketleri Tungsten bir iğne tarafından sağlanıyor. Bu atomun iğne ve metal yüzeğiyle etkileşim enerjisi amprik bir potansiyelle ifade edildi. Moleküler statik metoduyla potansiyel enerji yüzeyleri hesaplandı ve adsorbsiyon pozisyonları tayin edildi. Moleküler dinamik metoduyla, verilen bir iğne yüksekliğinde Xe atomunun koordinatlarındaki değişiklikler elde edildi. İğne yüksekliğine bağlı olarak Xe atomunun üç çeşit hareketi keşfedildi: 1) İtilme 2) Çekilme 3) İğneye yapışarak taşınma. Xe atomunun metal yüzeyi ile iğne arasındaki kontrollü ve tersinir hareketi iniki düzgün Pt(lll) yüzeğiyle çalışıldı. Xe atomunun Pt(lll) yüzeğiyle etkileşimi için kısa mesafe ve uzun mesafe etkileşimlerini içeren ve pek çok deneysel veriyle test edilmiş bir ampirik potansiyel kullanıldı. Atomun efektif yükü ve metal yüzeyi ile arasında oluşan dipol momenti, atomla metal yüzeyi arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak hesaplandı. Xe atomunun iki Pt(lll) yüzeyi arasındaki potansiyel enerji eğrisi ve bu eğrinin özdeğerleri ve öz fonksiyonları uygulanan voltajın ve iki elektrot arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak hesaplandı. Bu modelin içinde, Zenon'un tünellemesi, dipol uyarılması ve rezonant tünelleme, elektrogöç gibi Xe atomunun geçişinde rol oynayan çeşitli mekanizmalar incelendi. Xe atomunun geçiş hızı çeşitli mekanizmalara göre hesaplandı. Bu hızın uygulanan voltaja nasıl bağlı olduğu keşfedildi. Toplam geçiş hızının genel davranışı akımın ya da voltajın üstel bir fonksiyonu şeklinde değil. Düşük voltajda sıcaklık destekli atom tünellemesi etkili iken yüksek voltajda dipol uyarılması ve rezonant tünelleme daha etkin oluyor. Anahtar sözcükler: Tarama tünelleme mikroskobu, atom geçişi, atom anahtarı, tünelleme, fiziksel adsorbsiyon, kimyasal adsorbsiyon, Ander son Newns modeli, moleküler statik, moleküler dinamik, elastik olmayan elektron tünellemesi, elektrogöç, dipol uyarılması, rezonant tünelleme. iv

Abstract CONTROLLED LATERAL AND PERPENDICULAR MOTION OF ATOMS ON METAL SURFACES Alper Buldum M. S. in Physics Supervisor: Prof. Salim Çıracı November 1994 Nanoscale modification of matter has been the subject of interest. Recently, several experimental studies have demonstrated that by using a scanning tunneling microscope one can translate atoms on metal surfaces to a desired position. Furthermore, it has been shown that an atom between surface and tip can be transferred reversibly which results in bistable conductance. The controlled dynamics of adsorbed species has opened a new field of research. This thesis work provides a theoretical investigation of the controlled lateral and perpendicular motion of an inert gas atom (Xe) on metal surfaces. The lateral motion of Xe on the Ni(llO) and Pt(lll) surfaces is manipulated by a W tip. The interaction energy of the physisorbed atom with the tip and metal surface is described by an empirical potential. Using molecular statics the energy surfaces are calculated and the adsorbtion sites are determined. By using the molecular dynamics calculations, the variation in the coordinates of the adsorbate Xe with the tip moving at a given height are obtained. Three different modes of Xe translation are distinguished depending on the height of the tip. These are i) carriage on the tip, ii) pushing and, iii) pulling modes. The rangeof the tip height where one of these modes occur is strongly depended on the relaxation of electrodes and the geometry of the tip. Controlled and reversible transfer of atoms between the metal surface and the tip is studied by the transfer of Xe between two flat Pt(lll) surfaces. Physisorption of Xe on the Pt(lll) surface is studied by an empirical potential including short and long-range interactions and yielding correct account of several experimental data. Effective charge on Xe and the dipole moment constructed therefrom are calculated as a function of the Xe-surface separation. The potential energy curve of Xe between two Pt(lll) surfaces and quantum states of Xe therein are calculated as a function of the applied voltage and separation between two Pt(lll) surfaces. Within this model, various mechanisms, such as tunneling of Xe, dipole excitation and resonant tunneling, electromigration contributing to the transfer of Xe are examined. The transfer rate of Xe is then calculated for different mechanisms. Its dependence on the bias voltage is explored. The overall behavior of the total transfer rate is not a power law. While at low bias voltages thermal assisted atom tunneling is effective, the dipole excitation and resonant tunneling becomes dominant at high bias voltages. Keywords: Scanning tunneling microscope, atom transfer, atom switch, physisorption, chemisorption, Anderson-Newns model, molec ular statics, molecular dynamics, inelastic electron tunneling, electromigration, dipole excitation, resonant tunneling. 11