2. Внешние и внутренние поверхности твердых тел

Как следует из кратко изложенной выше предистории развития науки о поверхности, ее объектом исследования является не только внешняя поверхность, т.е. граница раздела между твердым телом и внешней средой. Как видно, не меньшее (а возможно, и большее) значение имеет исследование так называемых внутренних поверхностей (или границ) раздела, возникающих между двумя конденсированными телами.

Поверхность представляет интерес с точки зрения фундаментальной физики потому, что атомы на проверхности твердого тела и в его приповерхностных слоях находятся в особых условиях по сравнению с атомами в объеме кристалла. Эти особые условия связаны с нарушением в одном из направлений строгой периодичности кристаллической решетки - в виде обрыва трансляционной симметрии кристалла (Рис. 1.1).

В

Рис. 1.1. Анизотропия сил, действующих на атомы на поверхности и в объеме кристалла

результате, движущиеся вблизи поверхности электроны, фононы и другие квазичастицы «чувствуют» этот обрыв, и поэтому их поведение на поверхности твердого тела совсем не такое, как в его объеме. Например, с точки зрения электронных свойств приповерхностная область твердого тела - это особое состояние вещества поскольку, как мы увидим, атомная структура поверхности кристалла и вблизи поверхности совершенно иная, чем в объеме. В этом смысле поверхность твердого тела и его объем можно рассматривать как две разные формы одного и того же вещества.

Таким образом, с чисто физической точки зрения поверхность фактически представляет собой двумерную систему, структура и многие свойства которой совершенно иные, чем в объеме кристалла. Среди свойств поверхности имеются и такие, для которых вообще не существует трехмерных аналогов. К таковым относится, например, квантовый эффект Холла, вызвавший исключительный интерес со стороны как «чистой», так и прикладной физики. За открытие этого эффекта западногерманскому физику-экспериментатору Клаусу фон Клитцингу была присуждена Нобелевская премия 1985 года по физике. Это было еще одним подтверждением того, что физика поверхности заняла одно из центральных мест в физике конденсированных сред.

3. Идеальные и неидеальные поверхности твердых тел

Говоря о внешней поверхности следует иметь ввиду, что неограниченное в пространстве твердое тело как и идеальная поверхность существуют лишь в воображении физика, а не в действительности. Поскольку реальная поверхность обычно «загрязнена» слоем адсорбированных атомов внешней среды, то поэтому примерно до середины 60-х годов поверхности твердых тел исследовались, в основном, химическими методами, а физики подключились к этой проблеме сравнительно недавно.

Именно поэтому на начальном этапе изучения поверхностей в кристаллах было принято говорить о различии между так называемой "чистой" (как бы, идеальной) и "реальной" (т.е. неидеальной) поверхностью.

Реальная или, как ее часто называют, «покрытая» поверхность может быть получена при обычной лабораторной обработке кристалла (например, при разрезке, механической шлифовке, полировке).

Идеальная, или так называемая атомарно-чистая, поверхность может быть получена лишь в особых, тщательно контролируемых условиях, например, при разрыве кристалла в сверхвысоком вакууме либо в абсолютно нейтральной среде.

Естественно, у физиков больший интерес вызывает «чистая» поверхность. Они стремятся, в первую очередь, понять, как на ней расположены атомы и как ведут себя поверхностные электроны, а также другие квазичастицы.

К сожалению, долгое время развитие физики и химии поверхности сдержи­вало отсутствие совершенных методов очистки поверхности, анализа структуры и химического состава поверхностной фазы. Отсутствие надежных экспериментальных методов, которые позволяли бы определять химический состав и сохранять "чистыми" поверхности, часто приводило к невоспроизводимости экспериментальных данных. В результате, так называемые атомарно-чистые поверхности долгое время практически не были исследованы.

Серьезный перелом наступил в 60-70-е годы, когда и началось подлинное рождение физики чистых или идеальных поверхностей. Это произошло в результате совпадения трех обстоятельств.

Первым обстоятельством явилась разработка дифракци­онных методов исследования структуры открытых граней кристаллов и появление новых высокочувствительных методов электронной спектроскопии, которые позволяют регистрировать структуру и состав находящихся на поверхности твердого тела химических соединений с чувствительностью до малых долей атомного монослоя.

Вторым благоприятным обстоятельством явились космические программы, приведшие к разработке технологии промышленного производства сверхвысоковакуумных установок, позволяющих сохранять образец чистым в течении значительного периода времени.

Эти два обстоятельства дали возможность выполнять эксперименты в надежно контролируемых условиях и на надежно охарактеризованных поверхностях твердых тел, что позволило, в свою очередь, проводить сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими моделями идеальных поверхностей.

Третье обстоятельство связано с появлением и широким распространением высоко-скоростных компьютеров, приведших к быстрому развитию методов теоретического моделирования структуры и свойств идеальных поверхностей.

В результате именно этих трех обстоятельств и произошло рождение новой области науки о поверхности - физики атомар­но-чистых поверхностей. Последнее, естественно, нисколько не уменьшило актуальность физико-химических исследований реальных поверхностей и, тем более, межфазных границ, атомные и электронные процессы на которых во многих случаях определяют функционирование интегральных схем, преобразователей солнечной энергии, сен­соров и многих других устройств современной техники.

Последние три десятилетия свидетельствуют о том, что физика поверхности вышла из периода своего детства. Однако, несмотря на впечатляющие успехи экспериментальной физики поверхности, мы по-прежнему во многих случаях не владеем фундаментальными принципами и единым подходом, так как все еще движемся на ощупь. Соответственно, данный курс можно рассматривать как моментальную фотографию этой области знаний на той стадии развития, которую можно назвать юностью.