Estudo encontra evidências de espalhamento Raman ressonante de fônons de superfície de Cu(110)

Espectros Raman para Cu(110) usando linhas de laser discretas para excitação (círculos abertos). O comprimento de onda e a energia da luz laser incidente são dados à esquerda. As feições espectrais foram ajustadas às curvas de Voigt, mostradas em vermelho. Crédito:Denk et al.

Pesquisadores da Universidade Johannes Kepler em Linz vêm investigando as propriedades físicas do Cu(110), uma superfície obtida ao cortar um único cristal de cobre em uma direção específica, há vários anos. Seu estudo mais recente, apresentado em Cartas de Revisão Física , fornece a primeira evidência do chamado espalhamento Raman ressonante da superfície do metal. Este fenômeno envolve o espalhamento inelástico de fônons pela matéria.
"Já fizemos muita pesquisa sobre Cu(110), e estamos particularmente interessados na transição de estado de superfície em 2,1 eV. Como os elétrons do estado de superfície estão confinados às primeiras camadas do cristal, a superfície de Cu(110) é uma medida sensível da condição da superfície. Usamos essa alta sensibilidade para estudar vários processos físicos na superfície, como reconstrução da superfície após adsorção ou crescimento molecular", Mariella Denk, uma das pesquisadoras que realizou o estudo, disse Phys.org.

"Durante as discussões com o grupo do Prof. Dr. Norbert Esser em Berlim, que lida principalmente com o espalhamento Raman de semicondutores, mas também tem experiência no estudo de superfícies metálicas, tivemos a ideia de simplesmente tentar ver se o espalhamento Raman da superfície fônons podem ser vistos em Cu(110)."

Em uma série de experimentos iniciais, Denk e seus colegas observaram um espalhamento Raman de alta intensidade de fônons na superfície de uma amostra de Cu(110). Eles então decidiram explorar mais essa observação surpreendente para determinar os mecanismos que a sustentam.

Em seus experimentos, os pesquisadores usaram uma técnica chamada espectroscopia Raman. Este é um método não destrutivo para realizar análises químicas, que funciona focando a luz de um laser na superfície de uma amostra, cobrindo um ponto de aproximadamente 100 μm de tamanho. A luz emitida deste ponto é coletada por meio de uma lente e entra em um monocromador (ou seja, um instrumento óptico que mede o espectro da luz).

Estrutura de banda eletrônica a partir de cálculos dft:os estados da superfície são rotulados de b1 a b4 e as bandas de volume projetadas na superfície são sobrepostas em cinza. O gráfico superior mostra a variação da distância dos dois planos atômicos superiores (Δz) e a variação resultante da distância entre b1 e b2 em Y (ΔE) para um único período de oscilação. Crédito:Denk et al.

"A radiação espalhada elástica no comprimento de onda correspondente à linha do laser (espalhamento Rayleigh) é filtrada, enquanto o resto da luz é dispersada em um detector", explicou Denk. "A luz do laser interage com vibrações, fônons ou outras excitações no sistema, fazendo com que a energia dos fótons do laser mude. A diferença nas energias da luz incidente e espalhada fornece informações sobre os modos vibracionais excitados."

Os fônons de superfície do Cu(110)—assim como sua dispersão—foram intensamente estudados por técnicas complementares e são bem compreendidos. Denk e seus colegas, no entanto, foram os primeiros a mostrar que o espalhamento Raman de fônons de superfície em Cu(110) pode ser observado e que a alta intensidade obtida nos experimentos é devido ao espalhamento em ressonância com a transição eletrônica do estado de superfície de Cu(110) a 2,1 eV. Eles fizeram isso coletando medições Raman dependentes de polarização e energia de excitação em sua amostra usando 10 linhas de laser, dentro de uma faixa de energia de fótons de 1,8 a 3 eV.

"Nosso estudo fornece a primeira evidência de espalhamento Raman por fônons de superfície em uma superfície de metal", explicou Denk. "Os experimentos Raman, juntamente com a estrutura de banda eletrônica e cálculos de dinâmica de rede, pintam uma imagem coerente da interação entre fônons de superfície e estados eletrônicos localizados na superfície."

As descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores podem melhorar significativamente a compreensão atual do Cu(110) e outras superfícies metálicas. No futuro, eles podem abrir caminho para mais trabalhos teóricos com foco no acoplamento elétron-fônon que ocorre em superfícies metálicas.

"We are now planning to conduct further experiments to test whether the method can be used for high-resolution surface vibrational spectroscopy, in particular whether optical transitions at surfaces and interfaces can be used to enhance Raman scattering of vibrations of adsorbed species," Denk said. + Explorar mais