吸附原子

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吸附原子（adatom），是位于晶体表面的原子，可被视为表面晶格空位的相反情况。该术语用于描述表面上单个原子及表面粗糙度时的表面科学与外延领域。该词英文“adatom”为“adsorbed atom”的混成词。单个原子、原子簇或分子或纳米团簇均可用通用术语“吸附粒子”描述。此状态通常在热力学上不利。但像石墨烯这样的情况可以成为反例。

## 生长

当原子到达晶体表面时，会被晶体的一维晶格中的粒子吸附，从而成为吸附原子。该势能的极小值在表面上形成一张吸附位点网络。吸附位点有多种类型。每种位点对应表面的不同结构。共有五种吸附位点类型，分别为：位于台地（吸附位点在正在生长的表面层之顶）；位于台阶边缘（在生长层旁侧）；位于生长层的扭折（台面台阶扭折）；位于生长层的台阶边缘；以及位于表面层内部（吸附位点在下层内部）。

在这些吸附位点类型中，扭折位点在晶体生长中起最重要的作用。扭折密度是生长动力学的主要因素。原子附着到扭折位点或从扭折位点移除，并不改变晶体的自由表面能，因为断裂键的数量不变。因此处于扭折位点的原子的化学势与晶体的化学势相等，这意味着扭折位点是吸附原子成为晶体一部分的那类吸附位点。

若采用晶体学解释，或若生长温度较高导致熵效应，晶体表面会变粗糙，产生更多扭折。这意味着吸附原子更有机会到达扭折位点并成为晶体的一部分。这是常见的生长机制。

相反，较低的生长温度会产生平滑表面，导致台地吸附位点增多。扭折位点仍存在，但仅出现在台阶边缘。晶体仅通过“台阶的横向移动”生长。此类生长称为层状生长机制。吸附原子在表面上的生长方式取决于何种相互作用最强或表面形貌如何。若吸附原子间相互作用最强，吸附原子更可能在表面形成金字塔状簇。若吸附原子与表面相互作用最强，吸附原子则倾向排列成表面层。但这也取决于表面台阶的起源。总共存在五种不同的层状生长类型：正常生长、台阶流（step-flow）生长、层层生长（layer-by-layer）、多层（或三维岛）生长，以及螺旋生长。

台阶流生长出现在阶梯状表面。这类表面由具有原子平坦低指数台地的近晶台阶构成。当吸附原子附着到台阶边缘时，它们沿表面移动，直到找到一个扭折位点并附着成为晶体的一部分。然而，若扭折密度不够高，致使并非所有吸附原子都能到达扭折位点，则在台地上会形成额外的台阶，仿佛在平面上出现小的二维岛屿，从而产生混合生长模式，使层状生长类型由台阶流转为层层生长。

在层层生长中，吸附原子与表面的相互作用最强。新一层通过表面上产生的二维岛形成。岛屿增长直到覆盖整个表面，然后下一层开始生长。该生长称为弗兰克-范德梅韦生长。

某些情况下，层层生长中新层的形成循环会因动力学限制被打断。在这些情形中，上层在下层完成之前就开始生长，导致三维岛的形成。此时层层生长被多层生长取代。多层生长可分为Volmer-Weber生长和斯特兰斯基-克拉斯坦诺夫生长。

若晶体表面含有螺旋位错，则可能发生另一种生长方式，称为螺旋生长。围绕螺旋位错，在生长过程中可见螺旋形状。由于螺旋位错引起的生长螺旋不会消失，岛屿可能并非晶体生长的必要条件。

吸附原子通过外延与表面结合。在这一过程中，新晶层通过新原子的附着形成。可通过化学反应、加热新膜或离心等实现。通常用于形成新层的粒子并非总被吸附。与表面形成键需要能量，并非每个粒子都有足够能量附着在表面的某一部位（不同部位需要不同能量）。若入射粒子通量为$F$，被吸附的那一部分由吸附通量给出：

$$J_{ads} = sF$$

其中$s$为黏附系数（sticking coefficient）。该变量不仅取决于表面和入射原子的能量，也取决于粒子和表面的化学性质。若粒子与表面由易反应物质构成，则原子更易黏附到表面。

## 表面热力学

从薄膜表面的热力学角度看，键的断裂释放能量，键的形成则束缚能量。瓦尔特·科塞尔与伊万·斯特兰斯基在1920年代对此建立了模型。该模型称为台面台阶扭折模型。

吸附原子可与晶体形成多个键，取决于晶体结构。若为简单立方晶格，吸附原子最多可形成6个键；在立方晶系中，则最多可有12个最近邻。形成的键越多，被束缚的能量越多，吸附原子越难脱附。

吸附原子的一个特殊位点是扭折，在该位点吸附原子恰好能形成与表面一半数量的键，也称为“半晶位置”。

## 磁性吸附原子

吸附原子由于比晶体中其他原子具有更少的键，因此存在未成对的电子。这些电子具有自旋，从而产生磁矩。在无外加影响（如磁场）时，该磁矩无取向偏好。通过改变外加磁场可调整表面上吸附原子的结构。通过此法可模拟诸如原子链等理论情形。由于尺度很小，使用吸附原子时需考虑量子力学。

原子产生的磁场主要来自电子的轨道运动与自旋。相比电子，质子与中子的磁矩可忽略不计。含有游离电子的原子处于外加磁场中时，其磁矩会与外场对齐以降低能量。这就是被束缚电子通常不表现出该磁矩的原因：它们已处于有利的能量态，改变不利。磁化强度（当原子磁性被定向时）为：

$$M = \frac{N g_j^2 \mu_{\mathrm B}^2B}{3k_{\mathrm B}T}j(j+1)$$

其中$N$为电子数，$g_j$为$g$因子，$\mu_{\mathrm B}$为玻尔磁子，$k_{\mathrm B}$为波兹曼常数，$T$为温度，$j$为总角动量量子数。该公式在假设电子的磁能为$E = m_j g_j \mu_{\mathrm B} B$且无交换作用时成立。

## 表面移动

吸附原子在表面上的运动可用Burton–Cabrera–Frank（CBF）模型描述，模型由Keith Burton、Nicolás Cabrera与Charles Frank提出。该模型将吸附原子视为表面上的二维气体。吸附原子以扩散常数$D$扩散；以速率$1/\tau_{\mathrm{des}}$被脱附回表面上方的介质；并以通量$F$被吸附。

当粒子浓度较小时，扩散常数可表示为：

$$D = \frac{1}{4}a^2 \nu_0\text{exp}(-\frac{E_{\mathrm D}}{k_{\mathrm B}T})$$

其中$a$为原子的跳跃距离，$E_{\mathrm D}$为克服扩散势垒所需的能量，$\nu_0$为尝试频率。

CBF模型满足以下连续性方程式：

$$\frac{\partial n}{\partial t} = D\nabla^2n + F - \frac{n}{\tau_{\mathrm{des}}}$$

将稳态（$dn/dt = 0$）与以下边界条件结合，可导出各吸附位点处吸附原子速度的表达式。

$$\nu_i = \beta_{\mathrm{inc}}[n_1(x_i) - \tilde{n}] + \beta_{\mathrm{inc}}[n_u(x_i) - \tilde{n}]$$

边界条件为：

$$D\frac{\mathrm{d} n_1}{\mathrm{d} x}|_{x=x_i} = \beta_{\mathrm{inc}}[n_1(x_i) - \tilde{n}] + \beta_{p}[n_1(x_1) - n_u(x_i)]$$

以及：

$$-D\frac{\mathrm{d} n_u}{\mathrm{d} x}|_{x=x_i} = \beta_{\mathrm{inc}}[n_u(x_i) - \tilde{n}] + \beta_{p}[n_1(x_1) - n_u(x_i)]$$

## 应用

2012年，新南威尔士大学的科学家能够使用磷化氢精确且可确定性地在外延硅表面放置单个硅原子。该产生的吸附原子构成了所谓的单原子晶体管。因此，当化学经验式能够精确标定附着在分子上的支链离子的位置时，硅基晶体管及类似电子元件中的掺杂原子或分子的位置信息及器件特性可被确切标定。由此，一旦全部信息已知，掺杂物的映射将给出任一给定半导体器件的精确特性。

借助现有技术，可在外延薄膜上创建吸附原子线性链，从而用于理论分析。

此外，宇佐美徳隆等人在SiGe体晶中通过添加Si原子构建了量子阱。在这些量子阱内他们观察到被束缚激子的光致发光。