ПОВЕ́РХНОСТНЫЕ СОСТОЯ́НИЯ

ПОВЕ́РХНОСТНЫЕ СОСТОЯ́НИЯ, энер­ге­тич. со­стоя­ния (уров­ни энер­гии) элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти, ло­ка­ли­зо­ван­ные вбли­зи по­верх­но­сти твёр­до­го те­ла. Вол­но­вая функ­ция П. с. за­ту­ха­ет в обе сто­ро­ны от по­верх­но­сти кри­стал­ла, но в плос­ко­сти по­верх­но­сти со­стоя­ния опи­сы­ва­ют­ся вол­но­вой функ­ци­ей сво­бод­ного элек­тро­на. Раз­ли­ча­ют соб­ст­вен­ные П. с., обу­слов­лен­ные об­ры­вом кри­стал­лич. ре­шёт­ки на по­верх­но­сти, и не­соб­ст­вен­ные, обу­слов­лен­ные де­фек­та­ми ре­шёт­ки или при­ме­ся­ми на по­верх­но­сти. П. с. об­ра­зу­ют раз­ре­шён­ные энер­ге­тич. зо­ны, раз­де­лён­ные за­пре­щён­ны­ми зо­нами (см. Зон­ная тео­рия), и их вол­но­вые функ­ции ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вол­но­вым век­то­ром, ле­жа­щим в плос­ко­сти, ка­са­тель­ной к по­верх­но­сти. При от­сут­ст­вии в объ­ё­ме со­стоя­ний с энер­ги­ей, со­от­вет­ст­вую­щей энер­гии П. с., эти со­стоя­ния на­зы­ва­ют ис­тин­ны­ми П. с., в об­рат­ном слу­чае – по­верх­но­ст­ны­ми ре­зо­нан­са­ми.

На воз­мож­ность су­ще­ст­во­ва­ния П. с. впер­вые ука­зал (1932) И. Е. Тамм, ко­то­рый рас­смот­рел элек­трон­ный спектр ог­ра­ни­чен­ной од­но­мер­ной ре­шёт­ки, со­стоя­щей из пря­мо­уголь­ных по­тен­ци­аль­ных ям, раз­де­лён­ных пря­мо­уголь­ны­ми барь­е­ра­ми. Собств. П. с. вслед­ст­вие это­го на­зы­ва­ют там­мов­ски­ми со­стоя­ния­ми. Их по­яв­ле­ние обу­слов­ле­но от­ли­чи­ем вы­сот по­тен­ци­аль­ных барь­е­ров у по­тен­ци­аль­ных ям в объ­ё­ме и у по­верх­но­сти. У. Шок­ли по­ка­зал (1939), что П. с. мо­гут воз­ни­кать и в том слу­чае, ко­гда вы­со­ты по­тен­ци­аль­ных барь­е­ров оди­на­ко­вы, но в ка­ж­дой по­тен­ци­аль­ной яме есть неск. уров­ней, и зо­ны, про­ис­хо­дя­щие от этих уров­ней, пе­ре­се­ка­ют­ся. В ре­аль­ных кри­стал­лах там­мов­ские со­стоя­ния со­от­вет­ст­ву­ют обор­ван­ным (не­на­сы­щен­ным) ва­лент­ным свя­зям по­верх­но­ст­ных ато­мов. Обыч­но в ре­зуль­та­те об­ры­ва этих свя­зей про­ис­хо­дит пе­ре­строй­ка, на­зы­вае­мая ре­кон­ст­рук­ци­ей по­верх­но­сти, т. е. сме­ще­ние при­по­верх­но­ст­ных ато­мов как в плос­ко­сти, ка­са­тель­ной к по­верх­но­сти, так и по нор­ма­ли к ней. В ре­зуль­та­те это­го на по­верх­но­сти об­ра­зу­ют­ся струк­ту­ры с пе­рио­дом, рав­ным не­сколь­ким пе­рио­дам объ­ём­ной ре­шёт­ки или не­со­из­ме­ри­мым с её пе­рио­дом. Спектр П. с. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от ти­па ре­кон­ст­рук­ции и от ори­ен­та­ции по­верх­но­сти.

Для изу­че­ния собств. П. с. ис­поль­зу­ют по­верх­но­сти, по­лу­чае­мые ско­лом в вы­со­ком ва­куу­ме или жид­ком ге­лии, плён­ки, по­лу­чае­мые ме­то­дом мо­ле­ку­ляр­ной эпи­так­сии, а так­же по­верх­но­сти, очи­щен­ные бом­бар­ди­ров­кой ио­на­ми инерт­ных га­зов с по­сле­дую­щим от­жи­гом в ва­куу­ме. Ад­сорб­ция чу­же­род­ных ато­мов и окис­ле­ние по­верх­но­сти из­ме­ня­ют спектр П. с. и, в ча­ст­но­сти, при­во­дят к ис­чез­но­ве­нию собств. П. с. в об­лас­ти за­пре­щён­ных зон по­лу­про­вод­ни­ков и по­яв­ле­нию в этой об­лас­ти не­соб­ст­вен­ных по­верх­но­ст­ных со­стоя­ний.

Для оп­ре­де­ле­ния пе­рио­да по­верх­но­ст­ной струк­ту­ры ис­поль­зу­ют ме­тод ди­фрак­ции мед­лен­ных элек­тро­нов. По­ло­же­ния ато­мов на пе­ре­стро­ен­ной по­верх­но­сти из­ме­ря­ют с по­мо­щью ска­ни­рую­ще­го тун­нель­но­го мик­ро­ско­па, а так­же по рас­сея­нию ио­нов. Тип и кон­цен­тра­цию ад­сор­би­ро­ван­ных ато­мов оп­ре­де­ля­ют ме­то­да­ми оже-спек­тро­ско­пии. Пря­мые ме­то­ды оп­ре­де­ле­ния спек­тра П. с. ос­но­ва­ны на уг­ло­вой за­ви­си­мо­сти фо­то­элек­трон­ной эмис­сии и т. н. ин­вер­си­он­ной фо­то­эмис­сии (из­лу­че­ния, воз­ни­каю­ще­го при за­хва­те элек­тро­нов из элек­трон­но­го пуч­ка, па­даю­ще­го на по­верх­ность). Пер­вым спо­со­бом из­ме­ря­ет­ся спектр за­пол­нен­ных П. с., вто­рым – пус­тых.

Рас­пре­де­ле­ние П. с. по энер­гии ус­та­нав­ли­ва­ет­ся по час­тот­ной за­ви­си­мо­сти ко­эф. от­ра­же­ния или по­гло­ще­ния све­та, а так­же по спек­трам элек­тро­нов, не­уп­ру­го рас­се­ян­ных по­верх­но­стью кри­стал­ла. При оп­тич. ме­то­дах ис­сле­до­ва­ния вклад объ­ём­ных и по­вер­х­но­ст­ных со­стоя­ний оп­ре­де­ля­ют по по­ля­ри­за­ции све­та. Пря­мы­ми ме­то­да­ми из­ме­ре­ния плот­но­сти и энер­ге­тич. спек­тра П. с., на­хо­дя­щих­ся в за­пре­щён­ной зо­не по­лу­про­вод­ни­ка, яв­ля­ют­ся эф­фект из­ме­не­ния про­во­ди­мо­сти и мо­ду­ля­ция ём­ко­сти струк­ту­ры ме­талл – ди­элек­трик – по­лу­про­вод­ник при из­ме­не­нии на­пря­же­ния, при­ло­жен­но­го ме­ж­ду по­лу­про­вод­ни­ком и ме­тал­лом.