поверхностные состояния

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ - электронные состояния, локализованные вблизи поверхности кристалла. Волновая ф-ция П. 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 или в слое окисла, покрывающего поверхность. Собств. П. с. образуют разрешённые энергетич. зоны, разделённые запрещёнными зонами, и их волновые ф-ции характеризуются волновым вектором, лежащим в плоскости, касательной к поверхности. Поверхностные разрешённые зоны могут располагаться в области энергий, соответствующих как запрещённым, так и разрешённым объёмным зонам (см. Зонная теория ).При отсутствии в объёме состояний с и , соответствующих П. с., эти П. с. наз. истинными, в обратном случае - поверхностными резонансами.
На возможность существования П. с. впервые указал И. Е. Тамм (1932), к-рый рассмотрел электронный спектр ограниченной одномерной решётки, состоящей из прямоугольных потенциальных ям, разделённых прямоугольными барьерами (см. Кронига - Пенни модель ).Поэтому собств. П, с. наз. таммовскими состояниями. Их появление обусловлено отличием высот потенциальных барьеров у ям в объёме и у поверхности. Позже Шокли (W. Shockley) показал, что П. с. могут возникать и в том случае, когда высоты потенциальных барьеров одинаковы, но в каждой 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, наз. реконструкцией поверхности, т. е. смещение приповерхностных атомов как в плоскости, касательной к поверхности, так и по нормали к ней, в результате чего на поверхности образуются структуры с периодом, равным неск. периодам объёмной решётки или несоизмеримым с ними. Характер реконструкции зависит 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) Si реализуются 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 с адсорбиров. водородом структуры (1 x 1), (3 x 1).
Спектр П. с. существенно зависит от типа реконструкции и от ориентации поверхности. Расчёт спектров П. с. проводится теми же методами, что и расчёт состояний в объёме. При самосогласов. расчётах одновременно определяются смещение поверхностных атомов (характер реконструкции поверхности) и распределение электронной плотности.
Для изучения собств. П. с. используют поверхности, получаемые сколом в высоком вакууме или жидком Не; плёнки, получаемые методом молекулярной эпитаксии, а также поверхности, очищенные бомбардировкой ионами инертных газов с последующим отжигом в вакууме. Адсорбция чужеродных атомов или окисление поверхности изменяют спектр П. с. и, в частности, обычно приводят к исчезновению собств. П. с. в области запрещённых зон полупроводников и появлению в этой области несобств. П. с.
П. с. обнаружены у мн. металлов, полупроводников и 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 концентрацию электронов; в тонких образцах изменяется и ср. концентрация электронов, П. с. ответственны за поверхностную рекомбинацию и рассеяние, приводящее к уменьшению подвижности электронов в приграничных слоях.
Методы исследования. Для определения периода поверхностной 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-амперных характеристик туннельного зонда дала возможность определить по отдельности распределение пространственной плотности электронов на П. с., соответствующих заполненным и пустым зонам.
Наиб. прямые методы определения спектра П. с., т. е. зависимости 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. Чтобы отделить вклад П. с. от объёмных, изучается влияние окисления поверхности или адсорбции чужеродных атомов. При оптич. методах исследования вклад объёмных и П. с. определяют по зависимости от поляризации света (угла между вектором поляризации и нормалью к поверхности) .
Прямыми методами измерения плотности и энергетич. 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 приграничном слое полупроводника при известном изгибе зон у поверхности, определяющем положение П. с. относительно уровня Ферми. Аналогичные результаты дают и измерения изменения работы выхода полупроводника при освещении.
Наряду с электронными П. с. в полупроводниках имеются поверхностные экситоны ,волновая ф-ция к-рых также локализована вблизи границы.

Лит.: Тамм И. Е., Uber eine mogliche Art der Elektronenbildung an Kristalloberflachen, "Z. Phys.", 1932, Bd 76, S. 849; то же, "Phys. Z. Sowiet.", 1932, Bd 1, S. 733; Pжанов А. В., Электронные процессы на поверхности полупроводников, М., 1971; Дэвисон С., Левин Дж., Поверхностные (Таммовские) состояния, пер. с англ., М., 1973; Нестеренко Б. А., Снитко О. В., Физические свойства атомно-чистой поверхности полупроводников, К., 1983.

Г. Е. Пикус.