Dinámica de interacción de haces de He, H2 y D2 de energía térmica con superficies

Resumen

Los haces at¶omicos y moleculares han estado detr¶as de muchos de los grandes lo- gros del siglo XX. Los primeros experimentos con haces moleculares (Dunoyer, 1911) fueron realizados hace aproximadamente cien a~nos, inmediatamente despu¶es del desa- rrollo de sistemas de bombeo de vac¶³o. Estos experimentos llevaron al descubrimiento de la \cuantizaci¶on espacial" (Stern y Gerlach, 1922), al origen de las t¶ecnicas de re- sonancia magn¶etica nuclear (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) (Rabi, 1938) y de bombeo ¶optico (Kastler, 1950), a la resoluci¶on de la estructura ¯na del ¶atomo de H (Lamb y Retherford, 1947) y al desarrollo y formulaci¶on de la m¶as precisa teor¶³a de cualquier disciplina cient¶³¯ca, la electrodin¶amica cu¶antica (Quantum Electrodynamics, QED) [Feynman 06]. La introducci¶on, ya en la segunda mitad del siglo XX, de fuentes de haces molecula- res supers¶onicas, que proporcionan altas intensidades [Becker 54], extendi¶o el m¶etodo de estudio a otros campos de la f¶³sica y de la qu¶³mica. El intenso enfriamiento pro- ducido en la expansi¶on supers¶onica de un gas permite la producci¶on e investigaci¶on de complejos de van der Waals enlazados muy d¶ebilmente y la formaci¶on de clus- ters [Scoles 88], con motivaciones que van desde la comprensi¶on de la evoluci¶on de las propiedades moleculares a las propiedades del s¶olido, hasta la investigaci¶on en fusi¶on nuclear [Campargue 01]. Algunos de estos estudios han dado lugar a descubrimientos de gran relevancia, como el C-60 y otros tipos de fullerenos [Dresselhaus 96]. El pos- terior empleo de la presi¶on de radiaci¶on de la luz l¶aser para lograr un enfriamiento a¶un mayor de los ¶atomos del haz marc¶o un hito con la demostraci¶on de la condensa- ci¶on de Bose-Einstein (Bose Einstein Condensation, BEC) en un gas at¶omico diluido [Anderson 95], y ha dado lugar a la observaci¶on de la degeneraci¶on de Fermi en un gas [de Marco 99] y de la super°uidez en vapores at¶omicos [Onofrio 00], y a los l¶aser de ¶atomos [Mewes 97]. Esta l¶³nea de investigaci¶on emergente ha experimentado una tremenda expansi¶on en la ¶ultima d¶ecada y presenta numerosos retos para el futuro cercano. Como sondas de super¯cie, los haces at¶omicos y moleculares ofrecen un medio no destructivo y no invasivo para estudiar las m¶as delicadas estructuras super¯ciales. En el r¶egimen de energ¶³as t¶ermicas, un haz de ¶atomos de He tiene una longitud de onda por debajo del nan¶ometro, necesaria para obtener resoluci¶on at¶omica. Debido a una secci¶on e¯caz de dispersi¶on inusualmente grande para los defectos, descubierta en el La- boratorio de F¶³sica de Super¯cies de la Universidad Aut¶onoma de Madrid (LASUAM) [G¶omez 85], los haces at¶omicos han jugado un papel esencial en la observaci¶on, in-situ, del mecanismo de crecimiento de pel¶³culas met¶alicas delgadas [S¶anchez 86, S¶anchez 87] 2 Introducci¶on y superredes magn¶eticas [de Miguel 89], algo esencial para el descubrimiento del aco- plamiento antiferromagn¶etico a trav¶es de Cu [Cebollada 89], el acoplamiento magn¶etico oscilatorio [de Miguel 91] y la magnetorresistencia gigante (Giant Magnetoresistance, GMR) asociada [Baibich 88]. El LASUAM fue tambi¶en el origen de una de las aplicaciones de los haces de He m¶as extendidas: el estudio de la din¶amica de las super¯cies. En un c¶elebre trabajo, junto a Goodman, Celli y Manson, Nicol¶as Cabrera sent¶o las bases te¶oricas para el empleo de esta t¶ecnica para la determinaci¶on de los fonones de super¯cie [Cabrera 69, Cabrera 70]. Aunque actualmente la t¶ecnica est¶a realmente establecida, todav¶³a no es frecuente encontrar dispositivos experimentales de este tipo. El primer sistema experimental para la medida de fonones de super¯cie en Espa~na fue instalado en nuestro laboratorio en octubre de 2004, y ha sido puesto en marcha y calibrado como parte de este trabajo de tesis. Desafortunadamente, la dispersi¶on de ¶atomos de He (Helium Atom Scattering, HAS) no es actualmente una t¶ecnica con resoluci¶on espacial, de forma que no puede usarse para estudiar fen¶omenos espacialmente localizados. En consecuencia, los bene¯cios de HAS no pueden aplicarse a muchos problemas en los que las heterogeneidades tienen una importancia cr¶³tica en la determinaci¶on de la qu¶³mica de la super¯cie. Esto se debe a la di¯cultad para producir haces focalizados de He de su¯ciente intensidad. Sin embargo, desde hace una d¶ecada se est¶a trabajando en el desarrollo de un microscopio de He (Scanning Helium Microscope, SHeM). La idea es producir un dispositivo similar al microscopio electr¶onico, en el que un haz de ¶atomos colimado barra la super¯cie de la muestra y las part¶³culas re°ejadas formen una imagen. Este sistema combinar¶³a las ventajas ¶unicas de la t¶ecnica con la resoluci¶on espacial, posibilitando el estudio de un conjunto de sistemas org¶anicos delicados sin precedentes. Los prototipos de microscopio actual hacen uso de la focalizaci¶on de las ondas de materia mediante super¯cies de alta re°ectividad. El cap¶³tulo 4 de esta memoria resume la investigaci¶on de este tipo de super¯cies, llevada a cabo en el marco del proyecto europeo INA (Imaging with Neutral Atoms). Aunque la dispersi¶on de ¶atomos (especialmente He) por super¯cies ha sido estudiada ampliamente [Far¶³as 98], la dispersi¶on de mol¶eculas ha recibido menos atenci¶on. La dispersi¶on de haces moleculares constituye un m¶etodo directo para sondear el potencial de interacci¶on mol¶ecula-super¯cie, que juega un papel fundamental para entender una gran cantidad de procesos que afectan diariamente nuestras vidas. Esos procesos, que ocurren generalmente en la interfaz entre el gas y la super¯cie s¶olida, incluyen, por ejemplo, el crecimiento epitaxial de capas met¶alicas en silicio y otros sustratos, que son esenciales para los circuitos integrados en la tecnolog¶³a de computaci¶on. Introducci¶on 3 La interacci¶on de ¶atomos y mol¶eculas con super¯cies tiene, por tanto, una gran relevancia tecnol¶ogica. El ritmo al que ocurren ciertas reacciones qu¶³micas puede incre- mentarse enormemente debido a la presencia de una super¯cie catal¶³tica. La compren- si¶on de la quimisorci¶on disociativa de mol¶eculas en super¯cies s¶olidas es crucial para obtener un esquema detallado de los mecanismos b¶asicos involucrados en muchas reac- ciones qu¶³micas en la super¯cie. Por este motivo, un esfuerzo especial se ha dedicado a la din¶amica de dispersi¶on de hidr¶ogeno en super¯cies met¶alicas, que puede consi- derarse la m¶as simple de todas las reacciones. Nuestro conocimiento de la din¶amica de disociaci¶on de hidr¶ogeno en super¯cies se ha transformado durante la ¶ultima d¶eca- da, gracias al desarrollo de las medidas que revelan el papel espec¶³¯co de los grados de libertad internos (rotaci¶on, vibraci¶on y traslaci¶on) en el comportamiento din¶amico [Rettner 96] y al advenimiento de nuevos m¶etodos de c¶alculo, acompa~nados de una ma- yor potencia computacional, que permiten resolver problemas hasta ahora impensables. En los cap¶³tulos 5 y 6 se estudian estos conceptos mediante dos super¯cies, Pd(110) y NiAl(110), que presentan comportamientos muy distintos frente a la dispersi¶on de haces de H2. Se espera que las medidas de las transiciones rotacionales en NiAl(110) proporcionen un m¶etodo m¶as sensible para la determinaci¶on de las super¯cies de energ¶³a potencial que los experimentos de difracci¶on el¶astica [Nieto 06]. Desde un punto de vista m¶as fundamental, los estudios de la din¶amica de interacci¶on de haces moleculares con super¯cies podr¶³an responder a preguntas importantes sobre la formaci¶on de mol¶eculas de H2 a partir de ¶atomos de H aislados en las super¯cies de los granos de polvo en el espacio interestelar [Gould 63]. La memoria est¶a estructurada de la siguiente forma: En el cap¶³tulo 1 se revisan los conceptos te¶oricos b¶asicos de la dispersi¶on de haces moleculares por super¯cies, necesarios para la interpretaci¶on de los resultados experimentales. En el cap¶³tulo 2 se presentan los dos aparatos de dispersi¶on de haces moleculares utilizados en los experimentos de esta tesis y se describen someramente los detalles experimentales. En el cap¶³tulo 3 se detalla el proceso de calibraci¶on del dispositivo de tiempo de vuelo ERASMO, culminando con la medida de la curva de dispersi¶on de fo- nones en NiAl(110) en la direcci¶on de alta simetr¶³a [1¹10] y la comparaci¶on con experimentos previos. El cap¶³tulo 4 est¶a dedicado a la caracterizaci¶on, mediante difracci¶on de He y H2, 4 Introducci¶on de super¯cies Si(111)-H(1£1) para su empleo en espejos de alta re°ectividad para la focalizaci¶on de ¶atomos neutros de energ¶³a t¶ermica. La segunda parte del cap¶³tu- lo describe c¶omo el crecimiento de pel¶³culas met¶alicas delgadas sobre Si(111) y los efectos de tama~no cu¶antico caracter¶³sticos de estos sistemas se pueden apro- vechar para estabilizar capas altamente re°ectantes de espesores at¶omicos con la misma perfecci¶on que el sustrato. En el cap¶³tulo 5 se estudia en profundidad la dispersi¶on de H2 y D2 por la su- per¯cie Pd(110). La ausencia de un patr¶on de difracci¶on es ¶unica para este tipo de sistemas reactivos. La comparaci¶on con la super¯cie Pd(111) y los c¶alculos de din¶amica cl¶asica permiten entender el comportamiento, a trav¶es de un proceso denominado en la literatura \atrapamiento din¶amico". Los resultados mostrados en este cap¶³tulo constituyen su evidencia experimental. En el cap¶³tulo 6 se estudia la dispersi¶on el¶astica e inel¶astica rotacional de mol¶ecu- las de D2 dispersadas por la superfcie NiAl(110) como funci¶on de la energ¶³a de incidencia. Los resultados experimentales se comparan con c¶alculos cl¶asicos y las discrepancias entre teor¶³a y experimentos son discutidas. La memoria culmina con las conclusiones generales del trabajo y algunas perspec- tivas de investigaci¶on futuras.