Le vibrazioni di superficie e lo scattering anelastico
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1 Le vibrazioni di superficie e lo scattering anelastico Dr. Stefania Benedetti Corso di Laurea Specialistica/Magistrale in Fisica Università di Ferrara 1
2 I Fononi di superficie Modo ottico (bulk) Modo acustico (bulk) Relazioni di dispersione dei fononi superficiali ( k //, ) bulk superficie 2
3 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 3
4 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. 4
5 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 5
6 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, 6
7 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 7
8 Lo Scattering Anelastico Teoria dielettrica (scattering di dipolo) k E ' E ' k q G // // // // Energia trasferita Momento trasferito Scattering anelastico da una superficie: termine di risonanza Funzione di perdita Se, q piccolo, E // scattering a piccoli angoli 8
9 Lo Scattering Anelastico Teoria dielettrica (scattering di dipolo) ( ) i 1 2 Le strutture (picchi) di uno spettro di perdita saranno date da: 1. strutture in ( ) assorbimento ottico del materiale 2 2. ) 1 condizione di oscillazione di eccitazioni collettive (fononi, plasmoni) 1 ( Scattering anelastico da un film sottile: Domina contributo da campo perpendicolare alla superficie REGOLA DI SELEZIONE SULLA ORIENTAZIONE 9
10 Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) HREELS: High Resolution EELS E < 20 ev Esperimenti di scattering in riflessione in UHV Alta sensibilità alla superficie Spettro è dominato da fononi e plasmoni superficiali EELS 100 < E < 500 ev Sensibile anche ai contributi di bulk Spettro è dominato da transizioni interbanda, oltre che da fononi e plasmoni (superficie e bulk) Determinazione delle relazioni di dispersione dei modi collettivi Modi vibrazionali molecolari 10
11 Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) 1. Fascio elettronico monoenergetico (solitamente da cannone a filamento caldo) HREELS: δe = 1 mev EELS: δe = ev Monocromatizzazione mediante un analizzatore (CMA, emisferico) Non è necessaria monocromatizzazione ulteriore 2. Scattering con solido/superficie Teoria dielettrica per scattering da dipolo Teoria microscopica complessa (posizioni atomiche, distribuzioni di carica) per regime da impatto 3. Analisi in energia degli elettroni scatterati (ev. secondo analizzatore) 11
12 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, 12
13 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 N 2 O orientato perpendicolarmente alla superficie Vibrazioni molecolari siti di adsorbimento (LEED) e orientazione della molecola 13
14 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 14
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