2.6 Хімічна адсорбція як двохелектронний зв’язок.

Розглянемо ще двохелектронну [8] задачу: перший електрон – це валентний електрон атома А; другий електрон – це вільний електрон, що належить решітці. Це значить, що на одному з поверхневих іонів М міститься електрон. Інакше кажучи, що один з іонів М поверхневого шару решітки нейтралізований (перетворений у нейтральний атом) ( рис. 2.1, в)

Коли ми говоримо, що вільний електрон рухається в поверхневій зоні провідності, те це значить, що електрон переходить з одного іона М на сусідній іон М поверхневого шару решітки, й у такий спосіб мігрує по поверхні кристала. Це значить, інакше кажучи, що нейтральний стан атома М блукає по поверхні, переходячи із одного іона М на сусідній іон М .

Уявимо собі, що атом А разом з М своїм валентним електроном наближений до поверхні кристала. Як буде при цьому поводитися другий електрон (вільний електрон решітки)?

Атом А, осаджений на поверхні кристала, створює для вільного електрона решітки локальний рівень. Цей рівень розташовується під поверхневою зоною провідності. Він відіграє роль рівня «прилипання» для вільного електрона.

Вільний електрон може при цьому залишатися в зоні провідності або ж може вийти із зони провідності на локальний рівень.

У першому випадку, коли електрон решітки залишається вільним, ніякого зв'язку між атомом А і кристалом не утвориться. Атом А не буде втримуватися на поверхні.

Якщо ж електрон решітки переходить із зони провідності на локальний рівень, то це значить, що електрон перестає бути вільним і локалізується на поверхні кристала біля того місця, на якому сорбувався атом А. Атом А, таким чином, відіграє роль «пастки» для вільного електрона.

При цьому між атомом А і решіткою утвориться досить міцний двохелектронний зв'язок. У цьому зв'язку беруть участь два електрони: валентний електрон атома А і електрон самої кристалічної решітки, запозичений з вільних електронів.

Електрон решітки й атом А зв'язані при цьому обмінними силами. Ці обмінні сили і є в цьому випадку адсорбційними силами, що втримують атом А на поверхні, і, разом з тим, що втримують електрон решітки біля атома А. Ми одержуємо зв'язок того ж типу, як у молекулі Н₂. Спіни обох електронів, що беруть участь у грі, антипаралельні.

Міцність зв'язку залежить від того, наскільки глибоко під зоною провідності розташовується локальний рівень. Чим нижче розташований рівень, тим міцніший зв'язок і тим сильніша локалізація для електрона решітки.

За інших рівних умов положення локального рівня залежить від відстані між атомом А і поверхнею кристала. У міру віддалення атома А обмінний зв'язок з решіткою при цьому послаблюється, а електрон решітки, що міститься на рівні А, поступово делокалізується (тобто його хвильова функція стає усе більш і більш розмитою).

В граничних умовах, при нескінченному віддаленні атома А від поверхні, локальний рівень виявляється втягненим у зону. Електрон , розміщений на ньому, є в такий спосіб піднятий у зону провідності, тобто повністю делокалізованим, і тим самим повернутим у групу вільних електронів.