Модуль 2. Строение поверхности. Раздел 1. Кристаллическая структура поверхности. Раздел 2. Электронная структура поверхности. Лекции по дисциплине «Основы анализа поверхности методами атомной физики» Профессор каф. общей физики ТПУ Н.Н. Никитенков.

Модуль 2. Раздел 1. Тема 1. Основные понятия кристаллографии Решетка – параллельное, подобное узлам сетки расположение точек, причем около любой точки прочие точки распределены совершенно одинаково. Базис - группы атомов, связанные с узлами решетки, причем все группы идентичны по составу, расположению и ориентации. Элементарная ячейка = узел решетки + базис Кристаллическая структура = Решетка + Базис = = элементарных ячеек. Идеальный кристалл можно представлять себе как результат построения путем бесконечного числа повторений в пространстве элементарной ячейки. 2

В силу идеальности и симметрии кристалла существуют такие три вектора a, b и с, называемых векторами элементарных трансляций, что при рассмотрении атомной решетки из произвольной точки r решетка имеет тот же вид, что и при рассмотрении из точки r': r' = r+n 1 а+ n 2 b+ n 3 c, где п 1, п 2, п 3 – целые числа (0, ±1, ±2, …). Векторы элементарных трансляций называют основными, если две любые точки r и r', при наблюдении из которых атомное расположение имеет одинаковый вид, ясно что они всегда удовлетворяют соотношению при произвольном выборе чисел п 1, п 2, п 3.

Основные векторы трансляции a, b, с выбирают в качестве ортов системы координат, связанной с кристаллографическими осями. Кристаллографические индексы – три целых числа, определяющих расположение в пространстве граней и атомных плоскостей кристалла (индексы Миллера), а также направлений в кристалле и направлений его рёбер (индексы Вейса) относительно кристаллографических осей. 4 Элементарная ячейка Основные векторы трансляции Двумерный случай

Прямая ОА и параллельное ей ребро, определяемые индекса- ми Вейса p 1, p 2, p 3 (обозначаются [p 1,p 2,p 3 ] или [h,k,l]), проходят из начала координат О в точку А, определяемую вектором p 1 а+p 2 b+p 3 c, где a, b, с – периоды решётки (орты). Плоскость Р, отсекающая на осях отрезки p 1 a, p 2 b, p 3 c, имеет индексы Миллера h,k,l, определяемые отношением целых величин, обратных индексам p 1, p 2, p 3, т. е. h:k:l=(1/p 1 ):(1/p 2 ):(1/p 3 ), которые обозначаются (h,k,l). Равенство нулю одного пли двух индексов Миллера означает, что плоскости параллельны одной из кристаллографических осей. К определению кристаллографических индексов Прямая ОА с индексами Вейса [2,3,3] и плоскость Р с индексами Миллера (4,3,4); Ox, Оу, Oz кристаллографические оси; OA P. h:k:l=(1/3):(1/4):(1/3)=4,3,4 P

6 Индексы Миллера нескольких важных плоскостей кубического кристалла

7 Двумерная кристаллическая структура (2D) Для поверхности свойства, определяемые симметрией кристалла, двумерные, так как поверхность периодична только в двух направлениях. Кристаллическая структура определяется аналогично 3D. Для описания решетки поверхности достаточно двух векторов трансляций: r' = r+n 1 а+ n 2 b Параллелограмм со сторонами а и b называют элементарной ячейкой. Элементарную ячейку, имеющую минимальную площадь, называют примитивной ячейкой.

8 Существует и другой тип примитивной ячейки. Это ячейка Вигнера-Зейтца, строится она следующим образом: соединить произвольную точку решетки прямыми линиями со всеми соседними точками; через середины этих линий провести перпендикулярные линии (в 3D случае провести плоскости); ограниченная таким образом ячейка минимальной площади (в 3D случае минимального объема) представляет собой примитивную ячейку Вигнера-Зейтца.

Косоугольная решетка: a b, 90°, прямоугольная решетка: a b, = 90°, прямоугольная центрированная решетка: a b, = 90°, квадратная решетка: a=b, = 90°, гексагональная решетка: a=b, = 120°. 5 двумерных решеток Браве Все многообразие 2D-решеток описывается пятью основными типами решеток, называемых решетками Браве (в 3D случае существует 14 решеток Браве)

Обратная двумерная решетка Концепция обратной решетки играет ключевую роль для структурного анализа с помощью дифракционных методов. Двумерная обратная решетка определяется как набор точек, координаты которых даются векторами G hk =ha*+kb* где h, k - целые числа (0, ±1, ±2,...), а векторы примитивных трансляций а* и b* связаны с векторами примитивных трансляций решетки в прямом (реальном) пространстве соотношениями: где п - вектор единичной длины, перпендикулярный поверхности. 10

11 На основе соотношения можно легко выявить следующие свойства векторов а*, b*: 1) векторы а*, b* лежат в той же плоскости поверхности, что и векторы а, b в реальном пространстве; 2) вектор а* перпендикулярен вектору b; вектор b* перпендикулярен вектору а. длины векторов а*, b* равны В прямом пространстве векторы а, b имеют размерность длины (например, нм), а векторы обратной решетки а*, b* имеют размерность обратной длины (1/нм).

12 Векторы основных трансляций и элементарные ячейки двумерных решеток Браве в прямом пространстве и соответствующих им обратных решеток. а – косоугольная решетка; б – прямоугольная решетка (квадратная – частный случай прямоугольной); в – гексагональная; г – прямоугольная центрированная.

Из рисунка видны две основные закономерности: Каждая пара, включающая в себя прямую и соответствующую ей обратную решетки, принадлежит к одному и тому же типу решеток Браве (то есть, если прямая решетка гексагональная, то и обратная для нее решетка тоже гексагональная; если прямая решетка прямоугольная центрированная, то и обратная решетка тоже прямоугольная центрированная и т. д.). Угол между векторами трансляции прямой и обратной решеток связаны соотношением (a*, b*) = – (a,b). Таким образом, для прямоугольной и квадратной решеток этот угол один и тот же (90°). А в случае гексагональной решетки, если угол для решетки в прямом пространстве 120°, то для обратной решетки он будет 60° (и наоборот). 13

Модуль 2. Раздел 1. Тема 2. Кристаллическая структура реальной поверхности 14

Атомарно чистая поверхность Понятие атомарно чистая поверхность предполагает, что на ней не содержится примесей, не входящих в состав твердого тела, ограниченного данной поверхностью. Атомарно чистую поверхность можно получить только в сверхвысоком вакууме (да и то не надолго). Способы получения атомарно чистой поверхности: 1. Скол (самый эффективный способ, но технически трудно реализуемый и трудоемкий). 2. Нагрев (простой, но во многих случаях самый неэффективный из существующих). 3. Ионная бомбардировка инертными газами (очень эффективный способ, но нарушает кристаллическую структуру приповерхностного слоя). 4. Химическая обработка – напуск в вакуумную камеру химически-активных газов. Применяется в дополнение к 2. 15

Иллюстрация необходимости перестройки внешнего слоя после разлома кристалла 16 На атомы и электроны этого слоя действуют разные по величине силы до и после разлома До разлома После разлома Кромка

17 Реальная кристаллическая структура поверхности Структура поверхности большинства кристаллов (особенно это касается полупроводников) сильно модифицирована по отношению к структуре соответствующих атомных плоскостей в объеме кристалла. Основные типы этих модификаций: релаксация и реконструкция. Представим, что бесконечный кристалл расколот вдоль определенной кристаллографической плоскости. Из-за того, что атомы с одной стороны отсутствуют, характер межатомных сил на поверхности должен измениться. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности. Москва: Наука, 2006,490 с.

18

19 0 Адсорбат Подложка Кромка Запись структуры поверхности Область твердого тела вблизи поверхности называют кромкой. Таким образом, «поверхность» представляется в виде подложки (трехмерно-периодическая структура объема) и нескольких атомных слоев кромки. Реальная поверхность всегда содержат адсорбат. Для описания слоев поверхности над кромкой используется понятие структура адсорбата, подразумевающее наличие локализованного избытка посторонних частиц, поступивших либо из внешней по отношению к твердому телу среды, либо из самого твердого тела в результате диффузии. Для обозначения специфической структуры верхних атомных слоев используется также термин суперструктура.

20 Если поверхностные слои твердого тела представляют собой перестроенную кромку, либо адсорбат, либо и то и другое, то структура в таких слоях может быть неупорядоченной или упорядоченной, но во всех случаях когерентной с подложкой; либо упорядоченной, но некогерентной с подложкой в случае, когда адсорбат имеет свою структуру Запись для описания суперструктуры связывает ее двумерную решетку с решеткой идеальной плоскости подложки. Обычно это делается с помощью одного из двух способов: 1)Матричная запись или Парка и Маддена (Park, Madden) 2) Запись Вуда.

Матричная запись заключается в определении матрицы, которая устанавливает связь между векторами примитивных трансляций поверхности a', b' и векторами примитивных трансляций идеальной плоскости подложки a, b. a'=G 11 a + G 12 b, b'=G 21 a + G 22 b, где G ij – четыре коэффициента, образующих матрицу: Использую матрицу G, систему можно записать: 21

поскольку площадь элементарной ячейки подложки равна |а×b|, то детерминант (det G) есть просто отношение площадей двух рассматриваемых ячеек, что дает удобную систему классификации типов поверхностных структур, состоящую в следующем: а) если det G – целое число, и все матричные компоненты - целые числа: то две ячейки связаны однозначно, причем ячейка адсорбата имеет ту же трансляционную симметрию, что и вся поверхность; б) если det G – рациональная дробь (или det G – целое число, а некоторые матричные элементы – рациональные дроби): то две ячейки связаны относительно. в) если det G – иррациональное число: тогда две ячейки несоизмеримы, и истинная поверхностная ячейка не существует. Это означает, что подложка служит просто плоской поверхностью, на которой адсорбат или кромка могут образовывать свою собственную двумерную структуру. 22

23 поверхность подложка Запись Вуда Менее универсальная Указывает: 1) соотношение длин векторов примитивных трансляций суперструктуры и плоскости подложки и 2) угол на который следует повернуть элементарную ячейку поверхности, чтобы ее оси совместились с векторами примитивных трансляций подложки. если адсорбат А на поверхности {hkl} материала Х образует структуру с базисными векторами трансляции длиной |а׳|=p|а| и b׳=q|b| и углом поворота элементарной ячейки φ. данная структура обозначается как: X{hkl}p×q – R φ – A или X{hkl}(p×q)R φ – A. А – хим. символ адсорбата.

Эти обозначения можно использовать только тогда, когда углы поворота базисных векторов элементарных ячеек поверхности и подложки одинаковы (равны по величине). Следовательно, такие обозначения пригодны для систем, в которых ячейки поверхности и подложки имеют одну и ту же решетку Браве или в которых одна из решеток прямоугольная, а другая квадратная. 24 Примеры записи Вуда и матричной записи для некоторых суперрешеток на гексагональной двумерной решетке: узлы двумерной решетки подложки показаны черными точками, узлы решетки суперструктуры - белыми кружками. Суперрешетка 3×3-R30°: векторы примитивных трансляций в 3 раз длиннее векторов примитивных трансляций подложки, а угол поворота составляет 30°. В матричной записи эта суперрешетка описывается как

25 Примеры записи Вуда и матричной записи для некоторых суперрешеток на квадратной двумерной решетке Когда элементарная ячейка суперструктуры имеет тот же размер и ту же ориентацию, что и элементарная ячейка подложки, то есть обе решетки совпадают то такая суперструктура описывается Если элементарная ячейка суперструктуры в 3 раза длиннее ячейки подложки вдоль одной оси и имеет ту же длину вдоль другой оси, то запись для этой суперструктуры будет Аналогичный случай представляет собой суперрешетка 1×2 =

Модуль 2. Раздел 2. Электронная структура поверхности. Граница идеальной кристаллической решетки сама по себе служит источником особых состояний электрона, локализованных вблизи этой границы. Такие поверхностные состояния, называемые "таммовскими", отщепляются от разрешенной области спектра и располагаются внутри запрещенной зоны. По своей природе они во многом похожи на обычные связанные состояния, изучаемые в рамках зонной модели т.т. С возникновением понятия о поверхностных состояниях стало ясно, что поверхность кристалла играет роль самостоятельной его двумерной подсистемы, причем принадлежащие ей электроны также движутся в периодическом двумерном поле. То есть часть электронов связана с поверхностью твердого тела, перемещаясь только вдоль нее. Стало возможным говорить о таких смешанных структурах, как металл с диэлектрической поверхностью или, напротив, диэлектрик, на поверхности которого расположен двумерный металл. 26

27 Характерные энергии: Е с – дно зоны проводимости потолок запрещенной зоны; Е g – ширина запрещенной зоны; Е v – потолок валентной зоны дно запрещенной зоны; Е f - энергия уровня Ферми; Е d – энергия донорного уровня; Е а – энергия акцепторного уровня; Аналогично объемным примесным состояниям, поверхностные состояния можно рассматривать либо как «акцептороподобные», либо как «донороподобные». Зона проводимости Валентая зона

Акцептороподобные поверхностные состояния нейтральны, если они свободны, и отрицательно заряжены, если заполнены одним электроном. Донороподобные поверхностные состояния заряжены положительно, когда пусты, и нейтральны, когда они заняты одним электроном. Акцептороподобные состояния эквивалентны электронной ловушке (нейтральной в отсутствие электронов и заряженной отрицательно при наличии одного электрона). Донороподобные состояния эквивалентны дырочной ловушке (нейтральной, когда в ней нет дырки, и заряженной положительно, когда одна дырка захвачена). Мелкие доноры лежат чуть ниже зоны проводимости, а мелкие акцепторы – чуть выше валентной зоны. 28

С собственными (чистая поверхность, без адсорбентов) поверхностными состояниями (и ловушками в объеме) дело обстоит наоборот: акцептороподобные (донороподобные) состояния обычно лежат ниже (выше) зоны проводимости (потолка валентной зоны). Из одного лишь этого факта можно заключить, что поверхностные состояния не похожи на объемные мелкие доноры и акцепторы. Это справедливо только для собственных поверхностных состояний. Высказанные утверждения изменятся, если присутствуют также несобственные (поверхность с адсорбентами) поверхностные состояния. Некоторые из поверхностных состояний могут оказаться вне запрещенной зоны.