Overflatediffusjon

Overflatediffusjon er en form for diffusjon der atomer eller molekyler beveger seg langs en overflate i stedet for å migrere gjennom bulkmaterialet. Bevegelsen skjer i to dimensjoner og er avgjørende for prosesser som filmvekst, korrosjon og katalyse på materialoverflater.

Hovedmekanismen består i at adatomene hopper mellom adsorptionsteder på overflaten. Hoppen må passere aktiveringsbarrierer for hopping, betegnet som E_m. Diffusjonen påvirkes av overflatens topografi, som trinn og defekter, og av tilstedeværelse av andre atomer. Ved trinn kan det forekomme Ehrlich–Schwoebel-barrierer som påvirker hvordan atomer krysser terrenget og dermed vekstmønstre på filmen.

Kinetisk beskrives overflatediffusjon ofte med diffusjonskoeffisienten D_s(T) = D0 exp(-E_m/(k_B T)), der D0 er en prefaktor som avhenger av hoppfrekvens og hoppavstand, E_m er den aktiveringsenergien for hopping, og k_B er Boltzmann-konstanten. D_s øker med temperatur og avhenger av materiale og overflatens orientering.

Faktorer som påvirker overflatediffusjon inkluderer krystallstruktur, type adatom, overflatebelastning og dekning, temperatur, samt tilstedeværelse av andre atomer eller defekter. Denne diffusjonen styrer hvordan atomer reorganiserer overflaten og påvirker prosesser som øyedannelse, øyvekst og atomisering ved avsetning.

Målemetoder omfatter teknikker som skannende tunnelingmikroskopi (STM), atomkraftmikroskopi (AFM), samt LEEM/LEED og andre overflateanalysemetoder som gir estimater av hopprater og dermed E_m og D0. Kunnskap om overflatediffusjon er viktig i design av nanostrukturer og i forståelsen av overflatekjemi.