Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
свободной поверхности, но и для межфазных границ, разделяющих
соприкасающиеся твердые тела.
Любая поверхностная фаза в той или иной степени неоднородна. Ее
гетерогенность обусловлена рядом взаимосвязанных факторов:
10
Введение
1. Геометрическая и структурная неоднородность. Она связана с выходом
на поверхность граней кристалла, обладающих неодинаковой химической
активностью по отношению к внешней среде. Кроме того, ее создают выходы
дислокаций и других макроскопических дефектов, возникающих в процессе
образования поверхности или при
в
Рис. 1. Изображение предварительно отполированной поверхности
монокристалла меди в растровом электронном микроскопе после ионной
бомбардировки под разными углами к ней (а и б) (увеличение ~104); в -
изображение участка 50x50 нм той же поверхности, полученное с помощью
сканирующего туннельного микроскопа после специальной обработки,
выравнивающий рельеф. Видны моноатомные ступеньки и отдельные точечные
дефекты
тех или иных активных воздействиях: например, сту-
пеньки роста, поры, микро-трешины и др. Протяженность структурных
неоднородностей может составлять от десятка нанометров до микронов. Самая
совершенная полировка в ряде случаев сопровождается образованием аморфных
слоев на поверхности (слои Белби). Такие слои часто образуются и при
ионном травлении поверхности. Яркие примеры экстремсигъных проявлений
геометрической неоднородности дают электронномикроскопические фотографии,
представленные на рис.1, а, б. На поверхности часто повышена, по
сравнению с объемом, концентрация точечных дефектов - вакансий, атомов в
междоузлиях, примесных атомов внедрения или замещения и т.д., а также их
агрегатов.
2. Химическая неоднородность. Благодаря взаимодействию координационно-
или валенгноненасыщенных поверхностных атомов и точечных дефектов с
молекулами внешней среды, в процессе генезиса поверхности в поверхностной
фазе возникают самые различные химические
Введение
комплексы, прочно связанные с твердым телом. Во многих случаях после
соответствующих обработок на поверхности образуется новая фаза с отличным
от исходного твердого тела химическим составом, например, оксидные пленки
на поверхности многих полупроводников и металлов.
3. Неоднородность электронных свойств. Благодаря высокой дефектности
поверхности, присутствию на ней разнообразных химических комплексов,
возникает широкий спектр несобственных ПЭС, который накладывается на
спектр собственных локализованных состояний, связанных с обрывом
кристаллической решетки. Всем этим состояниям в запрещенной зоне
кристалла соответствует достаточно плотный, чаще непрерывный спектр
локальных уровней. Для простоты мы не будем пока касаться вопроса о
неоднородности поля деформаций и фононов.
Из всего сказанного видно, что существование поверхности вносит огромные
осложнения в физику кристаллов. Недаром В. Паули, а затем и другие
исследователи образно говорили, что поверхность создал сам дьявол.
Замечательный голландский график М.Эшер наглядно, с нашей точки зрения,
изобразил эту "дьявольскую" ситуацию в своей знаменитой гравюре "Рыбы и
птицы", представленной на форзаце этой книги. Он, конечно, не догадывался
о всех сложностях физики поверхности и руководствовался исключительно
интуицией художественного воображения. Но на путях исследования
поверхности и нам, поклонникам точных наук, также нередко придется
обращаться к интуиции.
Для того, чтобы найти какие-то общие закономерности в этой сложной
ситуации, необходимо обратиться к моделям, которые правильно отражали бы
общие для поверхностных фаз закономерности, пренебрегая в первом
приближении более частными деталями.
Естественно, самой простой является модель однородной поверхности,
которая часто используется во всех практических аспектах физики
поверхности. Предполагается, что все физические свойства - расположение
атомов, распределение их эффективных зарядов и зарядов ПЭС - однородны в
плоскости поверхности (Л", Y ). Она характеризуется средними эффективными
значениями макроскопического электрического поля, поверхностного заряда,
потенциала и т.д. Рассматриваются только изменения этих физических
параметров по нормали к поверхности (вдоль оси Z). Таким образом, задача
из трехмерной становится одномерной. Энергетический спектр ПЭС
характеризуется феноменологическими параметрами: концентрациями,
энергетическими положениями и сечениями захвата электронов и дырок.
12
Введение
Такая модель поверхности обычно используется при рассмотрении
поверхностных электронных явлений. Феноменологический подход к проблеме
позволил последовательно и достаточно полно описать основные
закономерности разнообразных электронных процессов, разыгрывающихся на
поверхности твердого тела и на межфазных границах. В рамках теоретических
представлений удалось установить важные взаимосвязи между
макроскопическими свойствами поверхности и параметрами ПЭС, определяющие
такие фундаментальные процессы, как захват и рекомбинацию носителей
