Simulations of scanning force microscopy tip Interactions with CaF2 and CeO2

Abstract

Tässä työssä on tutkittu atomivoimamikroskoopilla otettujen kalsiumdifluoridi- ja ceriumdioksidi-pintojen kuvien eroavaisuuksien syitä atomitasolla. Atomivoimamikroskoopin kärki oli muodostettu etukäteen 72 atomin piidioksidi-klusterista. Klusteri oli tehty tarpeeksi suureksi, jotta aineen bulkki-ominaisuudet ovat läsnä. Klusterista löytyivät myös luonnossa esiintyvät piin kemialliset ympäristöt, joissa vapaita pii- ja happi- sidoksia.

Atomisimulaatioissa on käytetty tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvaa SIESTA-ohjelmistoa. Laskuissa käytettiin pseudopotentiaaleja ja atomiorbitaalikantaa. Pintalaskuissa periodiset reunaehdot olivat käytössä. Tutkittu, miten cerium ja kalsium atomit muodostavat sidoksia klusterin kanssa eri kemiallisissa ympäristöissä. Pintoja mallinnettiin 36 atomin yksikkökopilla. Tutkittiin myös, miten pintojen energia muuttuu, kun pinta-atomeja siirretään pinnalta 0,1 -0,5 Å ulospäin.

Havaittiin, että cerium kiinnittyy klusteriin suuremmalla adsorptioenergialla kuin kalsium. Cerium pystyi tietyissä tilanteissa katkaisemaan piin ja hapen välisen sidoksen. Kalsium ei tällaiseen kykene. Saatiin tulos, että kalsium pystyy kiinnittymään sellaiseen pii-atomiin, jolla aikaisemmin kolme sidosta. Cerium ei muodosta sidosta piiatomin kanssa, joka tällaisessa kemiallisessa ympäristössä. Havaittiin myös, että cerium atomit istuivat pinnan hilapaikoissa energeettisesti syvemmällä kuin kalsium atomit.