ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ

       

локализованные энергетич. состояния (уровни) носителей заряда (эл-нов проводимости и дырок), возникающие у границы твёрдого тела с вакуумом или др. средой. Существование П. с. в запрещённой зоне (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ) предсказано И. Е. Таммом (1932). Возникновение П. с. в идеальном кристалле связано с нарушением периодичности кристалла из-за обрыва кристаллич. потенциала на поверхности (у р о в н и Т а м м а). П. с. образуют поверхностные энергетич. зоны, состоящие из близко расположенных уровней энергии, соответствующих разл. возможным компонентам квазиимпульса, параллельным поверхности. На поверхности реального кристалла всегда есть слой окисла, адсорбированные атомы, структурные дефекты и т. п. Это приводит к появлению дополнит. П. с. с волновыми ф-циями, имеющими максимум на поверхности или вблизи неё и затухающими по мере удаления от неё (у р о в н и Ш о к л и).

Особый тип П. с. в чистых металлах обнаружен М. С. Хайкиным (1960). Если металл находится в параллельном его поверхности магн. поле, то эл-ны, находящиеся вблизи поверхности и подходящие к ней под малыми углами, испытывают ряд последоват. зеркальных отражений. Т. о., движение эл-на вдоль нормали к поверхности металла оказывается периодическим и, следовательно, квантуется, т. е. возникают дискретные уровни, между к-рыми возможны переходы. В результате в области слабых магн. полей возникает резонансное поглощение энергии высокочастотного (=1010 Гц) поля (см. ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ

- электронныесостояния, локализованные вблизи поверхности кристалла. Волновая ф-цияП. с. затухает в обе стороны от поверхности кристалла. Различают собств. <П. с., обусловленные обрывом кристаллич. решётки на границе, и несобственные, <локализованные на примесях или дефектах, находящихся на поверхности илив слое окисла, покрывающего поверхность. Собств. П. с. образуют разрешённыеэнергетич. зоны, разделённые запрещёнными зонами, и их волновые ф-ции характеризуютсяволновым вектором ,лежащим в плоскости, касательной к поверхности. Поверхностные разрешённыезоны могут располагаться в области энергий, соответствующих как запрещённым, <так и разрешённым объёмным зонам (см. Зонная теория). При отсутствиив объёме состояний с и , соответствующих П. с., эти П. с. наз. истинными,в обратном случае - поверхностными резонансами.
На возможность существования П. с. впервыеуказал И. Е. Тамм (1932), к-рый рассмотрел электронный спектр ограниченнойодномерной решётки, состоящей из прямоугольных потенциальных ям, разделённыхпрямоугольными барьерами ( см. Кронига - Пенни модель). Поэтому собств. <П, с. наз. таммовскими состояниями. Их появление обусловлено отличием высотпотенциальных барьеров у ям в объёме и у поверхности. Позже Шокли (W. Shockley)показал, что П. с. могут возникать и в том случае, когда высоты потенциальныхбарьеров одинаковы, но в каждой яме есть неск. уровней и зоны, происходящиеот этих уровней, пересекаются. В реальных кристаллах таммовские состояниясоответствуют оборванным (ненасыщенным) валентным связям поверхностныхатомов. Обычно в результате обрыва этих связей происходит перестройка, <наз. реконструкцией поверхности, т. е. смещение приповерхностныхатомов как в плоскости, касательной к поверхности, так и по нормали к ней, <в результате чего на поверхности образуются структуры с периодом, равнымнеск. периодам объёмной решётки или несоизмеримым с ними. Характер реконструкциизависит от кристаллографич. ориентации поверхности, метода её приготовления, <в частности от темп-ры отжига, а также от типа и концентрации адсорбиров. <примеси или наличия на ней слоя окисла. Напр., на поверхности (111) Siреализуются структуры с периодами (1 x l), (2 x 1), (7 x 7), на поверхности(100) - структуры (2 x 1), (4 x 2), (2 x 2), а на той же поверхности садсорбиров. водородом структуры (1 x 1), (3 x 1).
Спектр П. с. существенно зависит от типареконструкции и от ориентации поверхности. Расчёт спектров П. с. проводитсятеми же методами, что и расчёт состояний в объёме. При самосогласов. расчётаходновременно определяются смещение поверхностных атомов (характер реконструкцииповерхности) и распределение электронной плотности.
Для изучения собств. П. с. используютповерхности, получаемые сколом в высоком вакууме или жидком Не; плёнки, <получаемые методом молекулярной эпитаксии, а также поверхности, <очищенные бомбардировкой ионами инертных газов с последующим отжигом ввакууме. Адсорбция чужеродных атомов или окисление поверхности изменяютспектр П. с. и, в частности, обычно приводят к исчезновению собств. П. <с. в области запрещённых зон полупроводников и появлению в этой областинесобств. П. с.
П. с. обнаружены у мн. металлов, полупроводникови диэлектриков. П. с., находящиеся в запрещённых зонах полупроводников, <влияют на их электрич. свойства: они определяют изгиб зон у поверхности, <т. е. работу выхода полупроводника и приповерхностную концентрациюэлектронов; в тонких образцах изменяется и ср. концентрация электронов, <П. с. ответственны за поверхностную рекомбинацию и рассеяние, приводящеек уменьшению подвижности электронов в приграничных слоях.
Методы исследования. Для определения периодаповерхностной структуры используется метод дифракции медленных электронов. Положения атомов на перестроенной поверхности измеряются с помощью сканирующего туннельного микроскопа, а также по рассеянию ионов. <Тип и концентрация адсорбиров. атомов определяются методами оже-спектроскопии. Сочетание туннельной микроскопии с одноврем. снятием вольт-амперныххарактеристик туннельного зонда дала возможность определить по отдельностираспределение пространственной плотности электронов на П. с., соответствующихзаполненным и пустым зонам.
Наиб. прямые методы определения спектраП. с., т. е. зависимости основаны на угловой зависимости фотоэлектронной эмиссии и т. н. <инверсионной фотоэмиссии (излучения, возникающего при захвате электроновиз электронного пучка, падающего на поверхность). Первым способом измеряетсяспектр заполненных П. с., вторым - пустых.
Распределение П. с. по энергии устанавливаетсяпо частотной зависимости коэф. отражения или поглощения света, а такжепо спектрам электронов, неупруго рассеянных поверхностью кристалла. Чтобыотделить вклад П. с. от объёмных, изучается влияние окисления поверхностиили адсорбции чужеродных атомов. При оптич. методах исследования вкладобъёмных и П. с. определяют по зависимости от поляризации света (угла междувектором поляризации и нормалью к поверхности) .
Прямыми методами измерения плотности иэнергетич. спектра П. с., находящихся в запрещённой зоне полупроводника, <являются поля эффект (изменение проводимости) и модуляция ёмкости МДП-структуры при изменении напряжения, приложенного между полупроводником и металлом. <Этот метод даёт возможность измерить долю заряда на П. с. и в приграничномслое полупроводника при известном изгибе зон у поверхности, определяющемположение П. с. относительно уровня Ферми. Аналогичные результаты даюти измерения изменения работы выхода полупроводника при освещении.
Наряду с электронными П. с. в полупроводникахимеются поверхностные экситоны, волновая ф-ция к-рых также локализованавблизи границы.

Лит.: Тамм И. Е., Uber eine moglicheArt der Elektronenbildung an Kristalloberflachen, "Z. Phys.", 1932, Bd76, S. 849; то же, "Phys. Z. Sowiet.", 1932, Bd 1, S. 733; Pжанов А. В.,Электронные процессы на поверхности полупроводников, М., 1971; ДэвисонС., Левин Дж., Поверхностные (Таммовские) состояния, пер. с англ., М.,1973; Нестеренко Б. А., Снитко О. В., Физические свойства атомно-чистойповерхности полупроводников, К., 1983.

Г. Е. Пикус.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.