Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
заряда, их транспорт в поверхностных фазах. Показано, что все эти
взаимосвязи существенно изменяются при переходе от монокристаллов к
системам с пониженной размерностью, когда размеры самих объектов начинают
приближаться к характеристическим длинам электронной подсистемы твердого
тела. Это кластеры вещества, нитевидные структуры и тонкие пленки: нуль-
(0Z)), одно- (ID) и двумерные (2D) структуры микро- и наноэлектроники.
Взглянув на рис.1, а и б, читатель видит, насколько грубым в ряде случаев
может оказаться приближение однородной поверхности, и у него,
естественно, возникает вопрос о правомерности применения такого подхода.
На самом деле на этом рисунке мы умышленно представили экстремально
трудный для теоретического описания случай "красивого горного рельефа"
некоторых поверхностей, чтобы подчеркнуть особенности рассмотрения
поверхностных фаз. К счастью, после специальных обработок, таких как
травление, вакуумный отжиг и т.д., удается существенно сгладить рельеф
поверхности. Небольшие участки поверхности в итоге могут быть практически
идеально гладкими (см. рис.1, в). Такие участки становятся доступными для
многих электрофизических исследований. При интерпретации
экспериментальных данных не следует забывать, однако, о возможной
неадекватности изучаемой поверхности и ее теоретической модели.
Следующий этап в описании поверхности - рассмотрение статистического
распределения локальных электрических полей на поверхности и их влияния
на макроскопические поверхностные электронные характеристики.
Определенные перспективы в этом направлении открывает современная
электронная теория неупорядоченных систем.
Любые модели однородной и неоднородной поверхности бесплодны, если их
рассматривать в отрыве от экспериментальных исследований структуры и
свойств поверхности, природы ПЭС и механизмов их взаимодействия с
носителями заряда. Только эксперимент позволяет установить пути
протекания поверхностных электронных процессов и указать реальные способы
управления ими. Раскрытие механизма элементарных процессов на поверхности
- не-
Введение
13
обходимый этап разработки общей микроскопической теории межфазных
электронных явлений. В связи со сказанным мы попытались представить
сжатый обобщающий анализ современных методов исследований атомной
структуры поверхности на границе с вакуумом, ее химического состава,
динамики колебаний поверхностных атомов и электронных свойств.
В реальных условиях поверхность взаимодействует с атомами и молекулами
окружающей среды. Последние изменяют спектр существующих ПЭС и создают
систему новых адсорбционных ПЭС. Адсорбированные молекулы влияют не
только на электронные свойства поверхностей, но и на их фононные спектры
и деформации. Экспериментальным исследованиям в книге также уделено
большое внимание.
Центральное место в книге занимают вопросы взаимосвязи молекулярных и
электронных процессов в поверхностных фазах. Именно эти взаимосвязи
определяют многие кооперативные свойства поверхностей и межфазных границ,
в частности, различные типы их гетерогенности. Кооперативные
поверхностные явления начинают широко использоваться не только в
микроэлектронике, но и в преобразователях солнечной энергии, в разного
рода сенсорных устройствах и в ряде химических процессов.
14
Глава I
Глава 1
Область пространственного заряда
1.1. Область пространственного заряда в термодинамическом равновесии
1.1.1. Возникновение областей пространственного заряда в ограниченных
кристаллах. Общий теоретический подход к проблеме электронной структуры
приповерхностных областей ограниченных кристаллов, как и электронной
структуры объема твердого тела, базируется на решении уравнения
Шредингера. Гамильтониан в этом уравнении содержит члены, учитывающие
взаимодействие всех атомных ядер и всех электронов между собой. Ввиду
необычайной сложности уравнения, в которое входят координаты всех ядер и
всех электронов кристалла, его точное решение невозможно. Главная
трудность состоит в необходимости учета энергии межэлектронного
взаимодействия, которая зависит от координат всех электронов. Для того,
чтобы как-то обойти эту проблему, теоретикам приходится делать различные
упрощающие предположения и, по образному выражению Дж. Займана, строить
всевозможные "воздушные конструкции", степень адекватности которых
выясняется только в результате сопоставления с экспериментом.
Простейшая и исторически первая модель свободных электронов Зоммерфельда,
в которой пренебрегают потенциальной энергией электронов, тем не менее
позволила неплохо объяснить электрические свойства металлов и связь
электропроводности с теплопроводностью. К сожалению, для ограниченных
кристаллов эта модель, строго говоря, неприменима, поскольку в ней
отсутствует учет сил, удерживающих электроны в твердом теле, и они должны
были бы "выливаться" через поверхность. Это очевидное несоответствие
обходят формальным введением некоего гипотетического барьера на границе