- •Рекомендуемая литература
- •1.1. Значение исследований поверхности
- •XIX - первая половина ХХ века
- •Роль поверхностных явлений
- •Катализ
- •Твердотельная электроника
- •Исследования в четко контролируемых условиях
- •1.2. Методы получения чистой поверхности
- •1.2.1.Прогрев при высоких температурах
- •1.2.2.Химические методы очистки
- •1.2.3. Ионная бомбардировка
- •Рецепты
- •1.2.4. Раскалывание в сверхвысоком вакууме
- •1.2.5.Некоторые специфические методы
- •1.3.Термодинамика поверхности
- •1.4. Анизотропия удельной поверхностной энергии
- •Литература к разделу II
- •II. АТОМНАЯ СТРУКТУРА ЧИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
- •2.1. Двумерная кристаллическая решетка
- •2.2. Обозначения поверхностей монокристаллов и атомных структур
- •2.3. Изменение межплоскостных расстояний у поверхности
- •2.3. Изменение межплоскостных расстояний у поверхности
- •2.4. Релаксация неполярных поверхностей ионных кристаллов
- •2.5.Реконструкция поверхности
- •2.5.1. Реконструкция на поверхности тугоплавких металлов
- •Золото (001)
- •Корреляция Энгеля
- •2.6. Реконструкция на поверхности полупроводников. Кремний (111).
- •2.7. Фасетирование поверхности
- •2.8. Влияние дефектов на структуру поверхности
- •2.9. Структура поверхности и ее физические свойства
- •2.10.Колебания поверхностных атомов
- •Термическое расширение
- •Литература к III разделу
- •III.ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
- •3.2.Поверхностные состояния. Метод ЛКАО
- •3.3 Поверхностные состояния Шокли
- •3.4. Поверхностные состояния. Приближение почти свободных электронов
- •3.6. О возможности изменения ширины запрещенной зоны на поверхности
- •3.7. Поверхностная (проектированная) зона Бриллюэна
- •3.8. Экспериментальное исследование электронной структуры поверхности металлов
- •Фотоэлектронная спектроскопия
- •GaAs (110)
- •3.9. Изменение потенциала и распределение электронной плотности у поверхности
- •3.9.2. Метод функционала плотности
- •3.9.2.A. Электронный газ с почти постоянной плотностью
- •3.9.2.Б. Плавно меняющаяся электронная плотность
- •3.9.3. Способы реализации метода функционала плотности
- •3.9.3.Б. Усовершенствованный метод Хартри
- •3.9.3.В.Вариационный метод
- •3.9.4. Электронная плотность и потенциал у поверхности
- •3.9.5. Работа выхода
- •3.9.6. Поверхностная энергия
- •3.9.7. Учет атомной структуры поверхности
- •Расчеты электронной структуры различных граней металлов
- •3.8.8. Взаимодействие заряда с поверхностью
- •3.8.9.Влияние внешнего электрического поля
- •IV. АДСОРБЦИЯ
- •4.1. Кинетика адсорбции. Теория Ленгмюра.
- •4.2. Полимолекулярная адсорбция
- •4.3. Физическая и химическая адсорбция
- •4.3.1.Силы, приводящие к физической адсорбции
- •4.3.Б. Метод валентных связей
- •4.3.В.Заселенность перекрывания
- •4.3.3. Химическая связь
- •4.4. Электронное состояние адатома
- •4.5. Энергия связи адатомов с поверхностью
- •4.6. Латеральное взаимодействие адатомов
- •4.7. Структура адсорбированных слоев
- •4.8. Изменение работы выхода
- •4.9. Поверхностная диффузия
- •Солитонный механизм
- •V. ТОНКИЕ ПЛЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
- •5.1. Механизмы роста пленок
- •5.2.Эпитаксия
- •5.3.Зародыши и их образование
- •5.4. Диспергированные пленки
- •5.5.Электропроводность тонких сплошных пленок
- •Удачи!
3.3 Поверхностные состояния Шокли
Возможно возникновение локализованных на поверхности состояний при одинаковом значении кулоновского и резонансного интегралов у всех атомов, включая и поверхностный.
Шокли
Одномерная цепочка из 8 атомов, расположенных на расстоянии a
Форма потенциала и постоянная a неизменны вплоть до ее краев.
При больших расстояниях отсутствует взаимодействие
При сближении уровни смещаются и расширяются из-за взаимодействия
Электронные состояния – набор дискретных уровней,
Принцип неопределенности: конечно среднее время, которое электрон проводит у “чужих” атомов.
При уменьшении а уровни могут пересечься
С энергетической точки |
sp-гибридизация |
|
зрения эквивалентны |
||
|
При еще меньших а - разделение на две зоны
Тот же результат, что и в случае бесконечной цепочки, но есть отличие.
От зон отщепляется по одному уровню,
Естественно приписать состояния орбиталям атомов, находящихся на концах цепочки и не участвующим в связи, т.е. оборванным или болтающимся связям.
Их волновые функции |
Экспоненциально затухают |
|||
локализованы на поверхности |
||||
при удалении от края цепочки |
||||
|
|
|||
|
|
|
||
|
Поверхностные состояния Шокли |
|
||
Возникают, когда имеется по крайней мере две энергетические зоны, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга.
Очень чувствительны к изменению потенциала и легко смещаются к границам зон разрешенных состояний, что приводит к делокализации электронов и исчезновению
Существенно, что изменения |
Отличие ПС-Шокли |
|
потенциала на поверхности для |
||
от ПС-Тамма |
||
их возникновения не требуется |
||
|
ПС-Тамма только в том случае, когда отдельные зоны разрешенных состояний находятся далеко друг от друга и когда имеется существенное изменение потенциала на поверхности
На реальной поверхности – |
Изменение потенциала, изменение связей |
дефекты, дислокации, |
Результат - изменение энергии уровней ПС, |
адсорбированные частицы |
их появление или исчезновение |
3.4. Поверхностные состояния. Приближение почти свободных электронов
Локализация электронов около ионного остова или на связи между атомами не является обязательным условием существования ПС
Металл в области z ≤ z0
Уравнение Шредингера в одномерном случае |
|
||||||||
|
1 d2 |
|
атомные |
h = m = e =1 |
|||||
[− 2 |
|
+ U(z)]ψ (z) = εψ (z) |
единицы |
|
|||||
dz2 |
|
||||||||
|
Вариации U(z) малы |
|
|
Разложение в ряд Фурье |
|||||
|
g = 2πn |
|
|
|
по векторам обратной решетки g |
||||
|
n = 1,2,3K |
|
|
|
|
|
|||
|
|
a |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выберем отсчет энергии так, чтобы U0=0.
Отсутствие возмущения : Ug=0 |
Волновая функция - плоская волна |
,
k - волновое число
Из теории слабых возмущений
Решение справедливо, если k далеко от плоскости
брегговского отражения
В 1D - случае
величина ± π a , ± 2π a , ± 3π a далека от значений
При k→π/a |
Знаменатель |
Преобладает второй член, что |
|
не справедливо. |
противоречит приближению |
||
мал |
|||
|
о слабом возмущении |
||
|
|
Необходимо использовать вырожденную теорию возмущения
e−ikz
ψ k=c1eikz+c2ei(k − g)z
é |
1 |
d |
2 |
ù |
|
ê- |
|
|
+U g eigz +U g e- igzú(с1 eikz + с2 |
||
2 |
|
|
2 |
||
ê |
dz |
ú |
|||
ë |
|
|
û |
||
1 c k2 eikz + |
1 c |
2 |
(k − g)2 ei(k − g)z + U |
|
2 |
1 |
2 |
|
|
= |
(c1eikz + c |
ei(k − g)z)ε |
||
eiè k - g |
ø z)= ε (с1 eikz + с2 |
eiè k - g |
ø z) |
æ |
ö |
æ |
ö |
ç |
÷ |
ç |
÷ |
g (c1ei(k + g)z + c1ei(k − g)z + c2 eikz + c2 ei(k − 2g)z)=
Умножаем на |
e−ikz |
Интегрируем по пространству |
||||||||
Затем на |
e−i( k − g)z |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
После сокращения на объем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Секулярные уравнения
Система имеет решение, если определитель равен нулю
æ |
1 |
k |
2 |
öæ |
1 |
(k - g) |
2 |
ö |
2 |
|
|
ç |
2 |
|
- ε÷ç |
|
|
- ε÷ |
- U g = 0 |
||||
è |
|
|
øè 2 |
|
|
ø |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На границе зоны kгран=p/a
Запрещенная зона 2½Ug½.
Собственные волновые функции на границе
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
æ |
2π |
2 |
|
|
|
|
ö |
|
π |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ε ± = |
ç |
|
|
± 4 |
|
U g |
|
÷ |
= |
|
± |
U g |
|||||
4 |
ç |
a2 |
|
|
÷ |
2a2 |
|||||||||||
|
|
è |
|
|
|
|
ø |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ε |
± |
= |
|
гран |
± |
U |
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
с2 |
|
1 kгран2 |
−ε± |
|
|
− (± |
|
U |
g |
|
) |
|
|
|
|
U |
g |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
= − |
2 |
|
|
|
|
|
|
= − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= ± |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
с |
|
|
|
U |
g |
|
|
|
|
U |
g |
|
|
|
|
|
|
U |
g |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
æ |
|
æ |
π |
ö |
|
|
Ug |
|
|
|
|
æ |
π ö |
ö |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
iç ÷z |
|
|
|
|
|
-iç ÷z |
|
|
|
||||||||||||||
ψ |
|
( z ) = c |
çe è |
a ø |
± |
|
|
e |
|
è |
a ø |
÷ |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
± |
|
|
|
1 |
ç |
|
|
|
|
|
|
Ug |
|
|
|
|
|
|
|
÷ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
è |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ø |
|
|
|
|||||||
|
|
|
æ |
æ |
π ö |
|
|
|
U |
|
|
|
æ |
π ö |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
iç ÷z |
|
|
|
g |
|
|
-iç ÷z ö |
|||||
ψ |
|
( z ) = c |
çe è |
a ø |
± |
|
|
|
|
e |
è |
a ø |
÷ |
||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
± |
1 |
ç |
|
|
|
|
Ug |
|
|
|
|
÷ |
||
|
|
|
è |
|
|
|
|
|
|
|
|
ø |
|||
Ug<0
ψ − ( z )− косинус 
Стоячие волны
Электронная плотность концентрируется |
s-характер |
|
в местах расположения ионных остовов, |
||
|
||
узел в середине между атомами |
|
ψ + ( z )− синус |
Узел в центре атома |
р-характер |
В нормальном случае волновая функция, соответствующая нижнему энергетическому состоянию четна, а верхнего - нечетна.
Ug>0 |
Ситуация меняется на противоположную |
Волновая функция нижнего состояния ~ синусу, верхнего - косинусу. Инверсная
зонная структура
Бесконечный |
Только |
Иначе ψ(z) →∞ |
|
кристалл |
вещественные k |
||
|
|||
Конечный |
? – может ли k быть комплексным |
||
|
кристалл |
|
|
Реальность энергии |
|
Физически разумный результат |
|||||
|
|||||
|
|
|
|
Ограниченность ψ |
|
|
π |
− iξ |
|
||
|
Положим k = a |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ü |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
1 |
ì |
|
π |
|
ö |
2 |
æπ |
|
ö |
2 |
|
|
é |
π |
|
|
ö |
2 |
|
æ |
π |
|
ö |
2 |
ù |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ε = |
ïæ |
- iξ |
|
|
|
± |
|
æ |
|
|
|
|
|
|
|
ú |
+16U |
2 |
ï |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
ç |
|
÷ |
|
+ ç |
+ iξ ÷ |
|
êç |
|
- iξ ÷ |
|
|
- ç |
|
+ iξ ÷ |
|
|
ý |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
4 |
í |
|
|
|
ø |
|
|
è a |
|
ø |
|
|
|
êè a |
|
|
ø |
|
|
|
|
è a |
|
ø |
|
ú |
|
|
|
|
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
è a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
î |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
þ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ì |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ü |
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
2π |
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
π |
2 |
2 |
|
π |
|
|
|
ξ |
|
|
|
2 |
|
π |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
= |
|
í |
|
|
|
|
- 2ξ |
|
|
± |
16U g |
-16 |
|
|
ξ |
|
ý |
= |
|
|
|
|
|
- |
|
|
± U g |
- |
|
|
ξ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
4 |
a 2 |
|
|
a 2 |
|
2a 2 |
|
2 |
a 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
î |
|
|
|
Энергия вещественна |
|
þ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ξ |
|
≤ |
a |
|
Ug |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||
|
|
π 2 |
|
ξ |
2 |
|
Ug2 − |
π 2 |
ξ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
æ |
|
π 2 |
|
ξ 2 |
ö |
π 2 |
|
|||||
|
ε = |
|
|
|
− |
|
|
± |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ç |
ε - |
|
+ |
|
÷ |
= Ug2 - |
|
ξ 2 |
||||
|
2a2 |
2 |
a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2a2 |
2 |
a2 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
è |
|
|
ø |
|
|
|||||||||
|
|
ì |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ü |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
æ |
|
|
|
π |
2 |
ö |
|
|
π |
2 |
ö |
2 |
|
é |
|
|
π |
2 |
ö |
2 |
|
ù |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ξ 2 |
|
ï |
ε |
|
|
|
æε |
|
|
|
|
êæ |
ε |
|
|
|
2 |
ú |
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
= 2í-ç |
+ |
|
|
|
÷ ± |
+ |
|
|
|
÷ |
|
- |
- |
|
|
÷ |
|
- Ug |
ý |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
ï |
è |
|
|
|
2a2 |
ø |
è |
|
2a2 |
ø |
|
|
êè |
|
|
2a2 |
ø |
|
|
ú |
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
î |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ë |
|
|
|
|
|
|
|
û |
þ |
|
|
|
|
|
|
|
|
ξ - реальная величина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Перед корнем плюс |
|
|||||||||||||||||
ξ не может иметь любой знак
ψ k=c1eikz+c2ei(k − g)z
|
|
æ π |
ξ |
ö |
æ π |
ξ |
2π ö |
æ |
π |
|
|
π ö |
|
|
iç |
-i |
÷z |
iç |
-i - |
÷z |
|
+ c e-i a z ÷ |
|||
ψ |
k |
= c e è a |
|
ø |
+ c e è a |
|
a ø |
= eξzçc ei a z |
||||
|
1 |
|
|
2 |
|
|
ç |
1 |
|
2 |
÷ |
|
|
|
ψ ограничена только если ξ>0è |
(z<0). |
|
ø |
|||||||
|
|
|
|
|
Волновая функция |
Наибольшее значение на |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
поверхности |
|
|
|
|
|
|
|
Затухает в объеме, тем быстрее, чем больше величина ξ.
|
|
|
|
|
|
æ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ö 12 |
||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
æ |
|
|
2 |
ö |
2 |
||||
|
|
π |
2 |
|
|
|
ç |
π |
|
π |
|
÷ |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ç |
|
÷ |
|
|
||||
На краях зоны |
ε± = |
|
|
|
± Ug |
ξ± = 2ç- |
a |
2 |
m U g + |
ç |
|
|
2 |
± U g ÷ |
|
÷ = 0 |
||
2a |
2 |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
ç |
|
|
è a |
|
ø |
|
÷ |
|||||||
|
|
|
|
|
|
è |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ø |
||
ξ достигает максимального значения в запрещенной зоне ε*, соответствующее ξmax,
|
|
|
|
|
|
|
æ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ö |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
ç |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
ç |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2π |
|
/ a |
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
2 |
ç |
-1+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2π |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ç |
|
|
|
|
|
Ug2 + |
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
æ dξ ö |
|
|
|
|
|
ç |
|
|
|
|
|
|
|
|
a2 |
ε * ÷ |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
= 0 |
= |
|
|
|
è |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ø |
|
|
|
|
|
|
|||||||
ç |
÷ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ö12 |
|
|
|
|
|
|
||||
è dε øε* |
|
æ |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
2 |
|
|
2π |
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
ç |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
2ç |
- ε * |
- |
|
|
|
+ |
|
Ug |
+ |
|
2 |
ε *÷ |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
2a |
2 |
|
a |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
è |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ø |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
æ
ξmax = 
2çç-
ç
è
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ö |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Ug2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ug |
|
|
|
|
|
|
|
c2 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
π 2 |
|
|
|
|
|
|
|
π 2 |
π 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
÷ |
|
|
|
|
Обозначение |
|
≡ exp(−2iχ) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
+ |
(2π |
|
|
2 |
) |
- |
|
|
+ |
|
4 ÷ |
|
= |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
2a |
2 |
|
a |
2a |
2 |
a |
|
(π a) |
с1 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ø |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
χ в интервале от 0 до π. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первое |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
секулярное |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
1 |
æ π |
- iξ |
ö2 |
|
|
|
π 2 |
|
ξ 2 |
||||
|
|
|
ε - |
|
ç |
÷ |
|
|
|
ε - |
|
|
+ |
|
|||
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
2a2 |
2 |
|||||||||||
exp( -2iχ ) |
= |
|
|
|
|
è a |
|
ø |
|
|
= |
|
|
||||
|
|
|
|
Ug |
|
|
|
|
|
|
Ug |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
= ± |
|
1 |
Ug2 - |
π 2ξ 2 |
+ i |
πξ |
|
|
|
|
|||||||
Ug |
a2 |
|
|
Ug a |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
1 |
|
2 |
|
π 2ξ 2 |
sin 2χ = |
cos 2χ = ± |
|
Ug |
− |
a2 |
|
|
Ug |
|
|||||
|
|
|
|
|
||
+ i πξ =
Ug a
− πξ
Ug a
|
|
|
|
|
|
При Ug<0 |
|
синус положителен |
0≤χ≤π/2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
При Ug>0 |
|
синус отрицателен |
π/2≤χ≤ π. |
|||||
|
|
é |
æ π |
ö |
æ π |
ö |
ù |
|
æ |
π |
|
ö |
||
ψ |
|
iç |
z+χ ÷ |
-iç |
z+χ ÷ |
|
|
|||||||
= c eξz e-iχ êe è a |
ø + e |
è a |
ø |
ú |
= 2c eξz eiχ cosç |
|
z + χ ÷ |
|||||||
|
1 |
ê |
|
|
|
|
ú |
1 |
è a |
|
ø |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
ë |
|
|
|
|
û |
|
|
|
|
|
||
ψ - затухающая в объем осциллирующая функция со сдвигом фазы χ, зависящим от ξ.
Выводы те же, что в приближении сильной связи
Волновая функция максимальна на поверхности, быстро (экспоненциально) уменьшается при удалении от нее
Чем дальше по энергии отстоит поверхностное состояние от края разрешенной зоны, тем выше “скорость” этого затухания.
Пока решение найдено лишь в области пространства, занимаемого металлом
Необходимо
Найти волновую функцию в вакууме
Добиться непрерывности функции и производной
Прямоугольный потенциальный барьер на поверхности
d lnψ |
|
|
= d lnψ vac |
|
|
|
|
|
|||
dz |
|
z=z0 |
dz |
|
z=z0 |
|
|
|
|
d |
æ |
|
|
|
|
|
æ π |
öö |
|
|
||
|
|
|
ç |
+ξz + ln cosç |
z + χ ÷÷ |
= |
||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
ç |
|
|
|
|
|
è a |
÷ |
|
|
||
|
dz è |
|
|
|
|
|
øø |
z0 |
||||||
|
|
|
|
|
æ π |
z |
|
|
ö |
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
sinç |
0 |
+ χ ÷ |
|
|
|
|
|
|||
ξ - |
|
|
è a |
|
ø |
= - |
|
|
||||||
|
|
|
2(Uvac -ε ) |
|||||||||||
a |
|
|
æ π |
z |
|
ö |
||||||||
|
|
|
|
cosç |
0 |
+ χ ÷ |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
è a |
|
|
ø |
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
z |
|
|
ψ vac (z) = Cvace |
2(Evac −ε ) |
; |
z ³ z0 |
||
|
|
|
d |
(- |
|
z) |
|
|
|
|
|
|
|
|
2(Uvac -ε ) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
dz |
z0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Допустим, поверхность при z0=a/2 |
Инверсная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|||
ξ + |
|
= − |
сtg(χ ) |
π/2≤χ≤ π. |
Возможно только |
|||||||
2(Uvac − ε ) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
в случае Ug>0. |
зонная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
структура |
При Ug>0 волновая функция максимальна в промежутке между атомами.
Воздействие поверхности велико, вероятно образование разрешенного состояния в запрещенной зоне
Поверхностное состояние Шокли
z0=0
Ситуация противоположна описанной выше.
ξ + |
|
= |
π tg(χ ) |
|
2(Uvac − ε ) |
0≤ χ ≤ π/2. |
|||
|
|
|
a |
|
Поверхностные состояния возможны при Ug<0.
Поверхностные состояния Тамма
3.5.Поверхностные состояния, связанные
ссилами зеркального изображения
Движение ограничено и справа и слева
ψ1 ~ eikz
При отражении фаза изменяется на φВ, амплитуда на ρВ
ψ 2 ~ ρBei[ φB +k( L+ L− z )]
На другой границе при отражении фаза изменяется на φС, амплитуда на ρС
ψ 3 ~ ρB ρCe |
i[ φB +φC +k( 2L+ z )] |
|
|
|
|
|||
|
2 |
ρCe |
i[ 2φB +φC +k( 4L− z )] |
|||||
|
|
ψ 4 ~ ρB |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
i[ 2φB +2φC +k( 4L+ z )] |
|
|
|
|
|
|
ψ 5 ~ ρB |
ρCe |
|
|
|
|
|
|
ψ = åψ i ~ eikz + ρBei[φB +k (L+L−z)] + ρB ρC ei[φB +φC +k (2L+z)] + i
ρB2 ρC ei[2φB +φC +k (4L−z)] + ρB2 ρC2 ei[2φB +2φC +k (4L+z)] +K
ψ = åψ i ~ eikz + ρBei[φB +k (L+L−z)] + ρB ρC ei[φB +φC +k (2L+z)] + i
ρB2 ρC ei[2φB +φC +k (4L−z)] + ρB2 ρC2 ei[2φB +2φC +k (4L+z)] +K
ψ ~ (eikz + ρBei[ φB +2kL ]e−ikz )[1+ ρB ρCei[ φB +φC +2kL ] + ρB2 ρC2ei[ 2φB +2φC +4kL ] + K]
∞
ψ ~ (eikz + ρBei[ φB +2kL ]e−ikz )åρBm ρCmei[ 2φB +2φC +4kL ] m=0
Нормировка приведет к нулевой волновой функции кроме случая, когда знаменатель равен нулю.
n – квантовое число
a = |
1 |
æ |
φ |
ö |
|
2 |
ç1- |
C |
÷ |
квантовый дефект |
|
|
è |
|
π ø |
ПС Тамма и Шокли |
|
ПС СЗИ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Локализованы вне |
|
Локализованы в |
|||
|
твердого тела |
||
твердом теле |
|
||
|
|
||
|
|
|
