Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
8
Введение
планарной технологии и микроэлектроники. В эти же 40-60-е годы Ф.
Волькенштейн и К. Хауффе, рассматривая адсорбированные атомы и молекулы
как "поверхностную примесь" полупроводника, теоретически установили
тесные взаимосвязи между электронными процессами в поверхностной фазе и
адсорбционно-каталитическими процессами на поверхности. Тем самым был
переброшен первый мостик между проблемами физики и химии поверхности.
Долгое время развитие физики и химии поверхности сдерживало отсутствие
совершенных методов очистки поверхности, анализа структуры и химического
состава поверхностной фазы. Это часто приводило к невоспроизводимости
экспериментальных данных. Серьезный перелом наступил в 60-70-е годы
благодаря созданию совершенных сверхвысоковакуумных установок, развитию
дифракционных методов исследования структуры открытых граней кристаллов и
появлению новых высокочувствительных методов электронной спектроскопии. В
значительной мере широкому использованию сверхвысоковакуумных систем
способствовали космические программы. Родилась новая область науки о
поверхности - физика атомарно-чистых поверхностей. Последнее,
естественно, нисколько не уменьшило актуальность исследования реальных
поверхностей и межфазных границ, атомные и электронные процессы на
которых во многих случаях определяют функционирование интегральных систем
переработки информации, преобразователей солнечной энергии, сенсорных
систем и многих других устройств современной техники.
Сейчас трудно назвать какой-либо раздел естественных наук, который в той
или иной степени не касался бы явлений на границах раздела твердых фаз.
Не говоря уже об электронике и каталитической химии, проблема поверхности
остро интересует специалистов в области конструкционных материалов
(порошковая металлургия), магнитологов (новые магнитные материалы),
оптиков и радиофизиков (пленочные слоистые структуры). Даже специалисты в
области ядер-ной физики вынуждены иметь дело с явлениями на поверхности
(проблема второй стенки термоядерного реактора). Большая армия биологов,
геофизиков и геохимиков интенсивно изучает сложные межфазные процессы в
мембранах клеток, в пористых неорганических и органических веществах.
Чрезвычайно большое значение имеют технические аспекты физики поверхности
в электронной и космической технике, в таких современных технологиях, как
молекулярная эпитаксия, ионное легирование, лазерная обработка материалов
и др.
Как мы отмечали в предисловии, центральное место в книге занимают вопросы
электроники поверхности и ее взаимосвязи с поверхностными атомными и
молекулярными процессами. Микро- и
Введение
9
оптоэлектроника 90-х годов неудержимо стремится к увеличению степени
интеграции твердотельных систем переработки информации и к резкому
уменьшению размеров отдельных компонентов этих систем. Зарождается нано-
и молекулярная электроника; размеры элементов интегральных схем начинают
приближаться к размерам малых кластеров из атомов и молекул. При этом
резко возрастает вклад во все протекающие процессы поверхностей раздела
между различными фазами. Физика этих систем становится неадекватной
физике массивных твердых тел, проблемы поверхностных явлений приобретают
все большую актуальность. Прогнозы специалистов свидетельствуют, что XXI
век станет веком расцвета наноэлектроники и не только в информатике, но и
в других разнообразных областях жизнедеятельности человека. Мы солидарны
с энтузиазмом доктора Эрика Дресс-лера (IBM, США), указывающего на
возможности внедрения наноэлектроники и нанороботов в биологию и
медицину: генную инженерию, диагностику и управление кровеносной
системой, искусственное кодирование и многое другое. Несомненно, что
прогресс в области наноэлектроники тесно связан с успехами физико-химии
поверхности.
2. Выбор физической модели поверхности. Структура курса
Поверхность является одним из основных дефектов трехмерной структуры
кристалла - классического объекта в физике твердого тела. Обрыв
химических связей на поверхности приводит к изменению координационной
сферы поверхностных атомов и регибридизации их валентных орбиталей. В
результате этого: 1) возникают новые (собственные) квантовые
локализованные поверхностные электронные состояния (ПЭС), выполняющие
роль центров захвата и рекомбинации свободных носителей заряда; 2)
изменяются эффективные заряды поверхностных атомов, порядок их
расположения и межатомные расстояния; 3) появляются дополнительные
деформации и 4) изменяется фононный спектр. Нарушенная структура
поверхности не может скачком перейти к упорядоченной структуре объема
кристалла и, следовательно, должна существовать конечная трехмерная
переходная область. Поэтому, говоря о поверхности, следует рассматривать
ее не как геометрическую плоскость (х, у), а как трехмерную поверхностную
фазу, ряд физических свойств которой отличен от объемных. В дальнейшем
понятие "поверхность'' мы часто будем использовать не только для
