Reacciones químicas inducidas por bombardeo iónico: N2+ en Cu(001)

Abstract

En este trabajo se analizan los diferentes parámetros que intervienen en los mecanismos de formación de compuestos de N-Cu como nanoestructuras auto-organizadas en Cu(001) por implantación iónica y posterior recocido. Se estudia la dependencia con la energía de bombardeo del ión N2+, la temperatura y tiempo de calentamiento del sustrato. Se combina la espectroscopia de electrones Auger (AES) con el análisis en profundidad por decapado iónico para caracterizar la difusión activada térmicamente de nitrógeno en Cu(001). Se comparan los resultados experimentales con simulaciones Monte Carlo Cinético encontrando que el nitrógeno difunde preferencialmente hacia la superficie. A partir de mediciones de fotoemisión de electrones excitados por rayos X (XPS) se encuentra que el estado químico del nitrógeno cambia bajo tratamiento térmico del sustrato. La energía de ligadura del estado interno N1s depende de la estequiometría del compuesto N-Cu, y de la distribución de nitrógeno en la matriz del cristal. Los resultados obtenidos mediante espectroscopia de iones dispersados (ISS) revelan una estructura del N compatible con una Cu(001)-c(2x2)N, en la cual los átomos de N se localizan en los sitios vacíos del cristal, y se ubican en el valle de la cara (001) a una altura del orden de 0.3Å sobre el plano de la superficie. Mediante mediciones de XPS de la banda de valencia se obtiene la evolución de la densidad de estados totales en la formación de CuxN. Con fotoemisión ultravioleta resuelta en ángulo (ARUPS) se determina la transición metal-semiconductor a partir de la estructura de bandas del material.

In this work, by means of Auger electron spectroscopy (AES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Ion Scattering Spectroscopy (ISS) and Angle Resolved Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (ARUPS) techniques we studied the process of low energy N2+ implantation and annealing of a Cu(001) surface, a proposed model system for self-assembled nanostructures. AES was used to study the thermally activated diffusion of nitrogen on Cu(001). The nitrogen diffusion was characterized as a function of the substrate temperature and the N2+ implantation energy. A comparison of the experimental results (temperature evolution followed by an AES depth profiling) with kinetic Monte Carlo simulations suggests a preferential diffusion of the nitrogen to the surface. With XPS we followed the chemical state of N and Cu along the annealing process and found that the N chemical state strongly changes as soon as the sample is heated, even with no modification of N amount at the surface. The binding energy of N1s state depends on the stoichiometry of the compound N-Cu, and the distribution of nitrogen in the crystal. ISS measurements show that the nitrogen atom locates on the fourfold hollow sites of the Cu(001) surface, to a height of about 0.3Å above the first layer of Cu atoms, being our results compatible with a c(2×2) arrangement. The appearance of a gap along the [001] azimuthal direction is determined by ARUPS from the band structure of the material. The consistency with the semiconductor character of Cu3N is also apparent in the N–Cu sample.