Атомная и электронная структура поверхности и межфазных границ

Развитие современной микроэлектроники характеризуется все большим повышением степени интеграции и функциональной сложности микросхем, дальнейшим ростом числа элементов на одном кристалле, уменьшением характерных размеров элементов, что сделало возможным реализацию идей нанотехнологии. В настоящее время электроника является основной практической областью применения нанотехнологии. Наноэлектроника – это совершенно новая область науки и техники, которая использует сверхминиатюрные и быстродействующие системы, функционирующие на основе квантовых эффектов. Удивительные новые возможности, отличающие наноэлектронику от микроэлектроники, сопровождаются появлением неизвестных ранее трудностей, связанных с квантовой природой процессов в устройствах. Для удовлетворения технологических потребностей постоянно проводятся фундаментальные исследования атомного и электронного строения, внутренних взаимных процессов, влияний различных воздействий в микро- и наноматериалах и структурах, на границах раздела, гетеропереходах, направленные на разработку физических основ новых нанотехнологий. Для создания новых материалов и структур продолжается изучение поверхности твердых тел, развиваются и обновляются методики исследования, появляются новые методы и приборы. Курс «Атомная и электронная структура поверхностей и межфазных границ» дает представление о взаимосвязи и особенностях атомной и электронной структуры на поверхности и в приповерхностных слоях ковалентных и ионно-ковалентных кристаллов, основанное как на классических понятиях, так и на последних достижениях науки, рассматривает физические причины и процессы перестройки материалов твердотельной электроники. В нем детально описаны физические и экспериментальные основы методов исследования поверхности, тонких и сверхтонких структур, изложены некоторые методы их расчета. Данный курс предназначен для студентов, специализирующихся в области материаловедения и технологии материалов, физики твердого тела, а также для всех интересующихся основами и современными методами анализа поверхности и наноразмерных структур. Курс имеет практико-ориентированную направленность.

Физические явления на поверхностях конденсированных сред изучались с древности. В 19 веке были надежно разработаны методы научного анализа, благодаря чему получены важные результаты, имевшие большое значение для науки о поверхности. В 1877 г. Дж. Уилард Гиббс (Ам.) опубликовал работу "Равновесие гетерогенных веществ", которая заложила математический фундамент термодинамики и статической механики. Как часть этой программы, Гиббс полностью описал термодинамику поверхности фаз. В начале 20-го века Ирвин Лангмюр (Ам.) ввел понятие адсорбционной химической связи, поверхностной адсорбционной решетки, коэффициента аккомодации, выполнил фундаментальные исследования работы выхода металлов, гетерогенного катализа и адсорбции и вывел законы термоионной эмиссии. В 1932г. он стал Лауреатом Нобелевской премии за "Выдающиеся открытия и разработки в области химии поверхности". В 1937 г. Нобелевскую премию получил К.Дж. Дэвиссон (Ам.) за работы по электронной дифракции. Тогда же И.Е. Тамм, А. Мауэ, Д. Гудвин и У.Б. Шокли установили существование и свойства поверхностных электронных состояний, а Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер разработали теорию свободной металлической поверхности, применимую для исследований свойств границ металл-полупроводник в электронике. Почти одновременно Н. Мотт (Англ.), В. Шотки (Герм.), Б.И. Давыдов (СССР) предложили теорию выпрямляющего перехода. Первые практические применения полупроводников - это селеновые выпрямители и точечные детекторы из сульфида свинца, в основе которых лежат свойства границ раздела полупроводник-металл.

В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники. В 1949 г. был создан транзистор с точечными контактами (Джон Бардин и У.Х. Браттейн), после чего последовал ряд интенсивных исследований поверхностей и границ раздела фаз. Тогда появились понятия "реальная", после обычной лабораторная обработки поверхности твердого тела, и "чистая", после создания тщательно контролируемых условий в процессе приготовления, поверхности (в монографии "Поверхность полупроводников" А. Мэни, Дж. Голдстейна и Н.Б. Гровера). В то время не существовало надежных экспериментальных методов определения химического состава "чистой" поверхности и почти совсем не были исследованы свойства атомарно-чистых поверхностей.