吸附原子

吸附原子（adatom），是位於晶體表面的原子，可被視為表面晶格空位的相反情況。該術語用於描述表面上單個原子及表面粗糙度時的表面科學與外延領域。該詞英文「adatom」為「adsorbed atom」的混成詞。單個原子、原子簇或分子或納米糰簇均可用通用術語「吸附粒子」描述。此狀態通常在熱力學上不利。但像石墨烯這樣的情況可以成為反例。

## 生長

當原子到達晶體表面時，會被晶體的一維晶格中的粒子吸附，從而成為吸附原子。該勢能的極小值在表面上形成一張吸附位點網路。吸附位點有多種類型。每種位點對應表面的不同結構。共有五種吸附位點類型，分別為：位於台地（吸附位點在正在生長的表面層之頂）；位於台階邊緣（在生長層旁側）；位於生長層的扭折（台面台階扭折）；位於生長層的台階邊緣；以及位於表面層內部（吸附位點在下層內部）。

在這些吸附位點類型中，扭折位點在晶體生長中起最重要的作用。扭折密度是生長動力學的主要因素。原子附著到扭折位點或從扭折位點移除，並不改變晶體的自由表面能，因為斷裂鍵的數量不變。因此處於扭折位點的原子的化學勢與晶體的化學勢相等，這意味著扭折位點是吸附原子成為晶體一部分的那類吸附位點。

若採用晶體學解釋，或若生長溫度較高導致熵效應，晶體表面會變粗糙，產生更多扭折。這意味著吸附原子更有機會到達扭折位點並成為晶體的一部分。這是常見的生長機制。

相反，較低的生長溫度會產生平滑表面，導致台地吸附位點增多。扭折位點仍存在，但僅出現在台階邊緣。晶體僅通過「台階的橫向移動」生長。此類生長稱為層狀生長機制。吸附原子在表面上的生長方式取決於何種相互作用最強或表面形貌如何。若吸附原子間相互作用最強，吸附原子更可能在表面形成金字塔狀簇。若吸附原子與表面相互作用最強，吸附原子則傾向排列成表面層。但這也取決於表面台階的起源。總共存在五種不同的層狀生長類型：正常生長、台階流（step-flow）生長、層層生長（layer-by-layer）、多層（或三維島）生長，以及螺旋生長。

台階流生長出現在階梯狀表面。這類表面由具有原子平坦低指數台地的近晶台階構成。當吸附原子附著到台階邊緣時，它們沿表面移動，直到找到一個扭折位點並附著成為晶體的一部分。然而，若扭折密度不夠高，致使並非所有吸附原子都能到達扭折位點，則在台地上會形成額外的台階，仿佛在平面上出現小的二維島嶼，從而產生混合生長模式，使層狀生長類型由台階流轉為層層生長。

在層層生長中，吸附原子與表面的相互作用最強。新一層通過表面上產生的二維島形成。島嶼增長直到覆蓋整個表面，然後下一層開始生長。該生長稱為弗蘭克-范德梅韋生長。

某些情況下，層層生長中新層的形成循環會因動力學限制被打斷。在這些情形中，上層在下層完成之前就開始生長，導致三維島的形成。此時層層生長被多層生長取代。多層生長可分為Volmer-Weber生長和斯特蘭斯基-克拉斯坦諾夫生長。

若晶體表面含有螺旋位錯，則可能發生另一種生長方式，稱為螺旋生長。圍繞螺旋位錯，在生長過程中可見螺旋形狀。由於螺旋位錯引起的生長螺旋不會消失，島嶼可能並非晶體生長的必要條件。

吸附原子通過外延與表面結合。在這一過程中，新晶層通過新原子的附著形成。可通過化學反應、加熱新膜或離心等實現。通常用於形成新層的粒子並非總被吸附。與表面形成鍵需要能量，並非每個粒子都有足夠能量附著在表面的某一部位（不同部位需要不同能量）。若入射粒子通量為$F$，被吸附的那一部分由吸附通量給出：

$$J_{ads} = sF$$

其中$s$為黏附係數（sticking coefficient）。該變量不僅取決於表面和入射原子的能量，也取決於粒子和表面的化學性質。若粒子與表面由易反應物質構成，則原子更易黏附到表面。

## 表面熱力學

從薄膜表面的熱力學角度看，鍵的斷裂釋放能量，鍵的形成則束縛能量。瓦爾特·科塞爾與伊萬·斯特蘭斯基在1920年代對此建立了模型。該模型稱為台面台階扭折模型。

吸附原子可與晶體形成多個鍵，取決於晶體結構。若為簡單立方晶格，吸附原子最多可形成6個鍵；在立方晶系中，則最多可有12個最近鄰。形成的鍵越多，被束縛的能量越多，吸附原子越難脫附。

吸附原子的一個特殊位點是扭折，在該位點吸附原子恰好能形成與表面一半數量的鍵，也稱為「半晶位置」。

## 磁性吸附原子

吸附原子由於比晶體中其他原子具有更少的鍵，因此存在未成對的電子。這些電子具有自旋，從而產生磁矩。在無外加影響（如磁場）時，該磁矩無取向偏好。通過改變外加磁場可調整表面上吸附原子的結構。通過此法可模擬諸如原子鏈等理論情形。由於尺度很小，使用吸附原子時需考慮量子力學。

原子產生的磁場主要來自電子的軌道運動與自旋。相比電子，質子與中子的磁矩可忽略不計。含有游離電子的原子處於外加磁場中時，其磁矩會與外場對齊以降低能量。這就是被束縛電子通常不表現出該磁矩的原因：它們已處於有利的能量態，改變不利。磁化強度（當原子磁性被定向時）為：

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

其中$N$為電子數，$g_j$為$g$因子，$\mu_{\mathrm B}$為玻爾磁子，$k_{\mathrm B}$為波茲曼常數，$T$為溫度，$j$為總角動量量子數。該公式在假設電子的磁能為$E = m_j g_j \mu_{\mathrm B} B$且無交換作用時成立。

## 表面移動

吸附原子在表面上的運動可用Burton–Cabrera–Frank（CBF）模型描述，模型由Keith Burton、Nicolás Cabrera與Charles Frank提出。該模型將吸附原子視為表面上的二維氣體。吸附原子以擴散常數$D$擴散；以速率$1/\tau_{\mathrm{des}}$被脫附回表面上方的介質；並以通量$F$被吸附。

當粒子濃度較小時，擴散常數可表示為：

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

其中$a$為原子的跳躍距離，$E_{\mathrm D}$為克服擴散勢壘所需的能量，$\nu_0$為嘗試頻率。

CBF模型滿足以下連續性方程式：

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

將穩態（$dn/dt = 0$）與以下邊界條件結合，可導出各吸附位點處吸附原子速度的表達式。

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

邊界條件為：

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

以及：

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

## 應用

2012年，新南威爾斯大學的科學家能夠使用磷化氫精確且可確定性地在外延矽表面放置單個矽原子。該產生的吸附原子構成了所謂的單原子電晶體。因此，當化學經驗式能夠精確標定附著在分子上的支鏈離子的位置時，矽基電晶體及類似電子元件中的摻雜原子或分子的位置資訊及器件特性可被確切標定。由此，一旦全部資訊已知，摻雜物的映射將給出任一給定半導體器件的精確特性。

藉助現有技術，可在外延薄膜上創建吸附原子線性鏈，從而用於理論分析。

此外，宇佐美徳隆等人在SiGe體晶中通過添加Si原子構建了量子阱。在這些量子阱內他們觀察到被束縛激子的光致發光。